基于嵌入式系统的创新实验室管理系统设计与实现

　　0 引言

　　目前我校提出了创新强校的办学理念，大学生科技创新是电信学院的一个重要品牌，专门建立了大学生创新实验室。近几年电信学院大学生科技创新活动风生水起，在各大竞赛活动中屡创历史新高。但是存在实验室空间少，实验室管理工作及信息处理基本是人工完成等不足，造成了信息资源不能共享、管理混乱，没有实现创新实验室应有的功能。

　　创新实验室管理系统是针对电信创新实验室管理而设计开发的，基于数据库的实验室网络化综合管理系统提供了资源共享、实验预约、实时监控、资产管理、实验考勤管理等功能[1]。该系统的开发既提高了管理效率，又可以节约人力资源，降低信息化的成本，使实验室在时间和空间上得以延伸，同时对扩展并加快信息化建设具有实际意义。

　　1 系统总体设计

　　系统整体采用B/S结构体系，各设备间通过局域网相互连接，用户使用浏览器完成网上教学管理和办公等操作[2]。实验室管理部分结合C/S模式开发了实验室门禁软件，客户端PC通过采集读卡器获取的信息自动完成学生身份认证[3]，记录到达和离开实验室时间，并实时监控整个实验室的情况。

　　系统由智能读卡器、数据库服务器、Web服务器和终端PC构成。系统整体框图如图1所示。

　　1.1 门禁系统的设计

　　门禁管理子系统依托射频识别技术和ZigBee通信技术实现与上位机无线通信，采用Qt Creator编写的上位机实现了签到无纸化及无人值班化。门禁系统主要由射频识别(RFID)模块、ZigBee无线模块、掉电保护模块以及上位机组成[4]，结构框图如图2所示。其工作流程是：ZigBee无线模块把RFID读卡器读取的IC卡上的学生信息通过串口上传给上位PC，PC通过对数据库操作实现自动门禁控制以及对档案的操作。

　　1.2 管理系统设计

　　实验室网站管理系统下设实验室门户、实验教学管理、设备管理和实验室管理4个子系统，其结构图如图3所示。

　　(1)网站门户：主要是供学生了解实验室最新动态，共享实验室资源，展示学生的作品，以此来提高学生创作的兴趣，实验室论坛则是一个促进学生交流互动的专区[5]。

　　(2)实验教学管理：将创新实验室空间网络化，自动采集学生预约、实时监控等的全部数据，并实现教师对创新实验室实时智能管理等功能。

　　(3)设备管理：主要实现设备的档案管理、设备使用记录等各类报表的报批功能。

　　(4)实验室管理：能够自动统计各实验室的使用记录，同时可通过记载学生累计上机学习时间来考察学生自主学习的能动性。

　　1.3 数据库设计

　　本系统是为学校学生而开发的程序，需要充分考虑成本及用户需求(如跨平台)等问题。MySQL是目前最为流行的开放源码的数据库，是完全网络化的跨平台的关系型数据库系统[6]，正好满足了学校用户规模不大的需求，因此本系统采用MySQL数据库。

　　根据对系统所做的需求分析，规划出本系统中使用的数据库实体分别为学生档案实体、教师实体、管理员实体、实验室实体、设备实体和实验课程预约实体等[7]。下面介绍两个关键实体的E-R图。

　　(1)学生档案实体

　　学生档案实体包括编号、姓名、学号、性别、联系电话、电子邮件、所属班级和备注等属性。学生档案实体的E-R图如图4所示。

　　(2)教师档案实体

　　教师档案实体包括编号、姓名、性别、联系电话、电子邮件和备注等属性。教师档案实体的E-R图如图5所示。

　　2 系统实现

　　2.1 实验室门户的实现

　　(1)实验室动态的实现

　　实验室为学生和老师提供查看动态页面，可以浏览最新的信息，也可以查看以前的动态信息，动态的更新则是在后台由管理员来操作。在数据库中建立一个专门用来存放动态信息的数据表，只有管理人员才能进入后台管理系统实现新增和修改操作，相应的SQL语句则对应Insert操作和Update操作。

　　(2)作品展示的实现

　　在作品展示模块，学生可以自由地上传自己的作品，不过需要管理人员的审核，只有符合审核标准的作品才会保留下来并展示在页面上。上传作品图片的操作需要调用move_uploaded_file($_FILES["image"]["tmp_name"][$i]，$filepath)方法，其中参数1为图片资源，参数2则是上传到服务器的指定路径。

　　(3)资源下载的实现

　　考虑到实验室资源可能较多，针对资源的类型做了详细的分类，这样可以使用户更易于寻找自己想要的资源。资源上传的功能与作品展示差不多，只是操作由管理人员来完成。

　　(4)实验室论坛

　　实验室论坛是一个交流互动的平台，学生可以在上面发表自己的建议和想法，也可以是相关疑问，不过都必须与实验相关。学生发表内容后需要管理人员审核。

　　2.2实验教学管理的实现

　　(1)实验室预约的实现

　　实验室预约可以在最大程度上解决实验室紧缺问题，学生也能根据自己需要来选择实验室[8]。实验室预约按照教师提供的可选课时来选择，如果没有可选课时，则表示此实验室为不可预约，系统中通过一个字段来表示课时信息。这里没有遵循数据库的设计规范标准，主要是考虑代码实现的方便性以及此设计不影响可扩展性，这个字段使用0和1加特殊符号来表示，0表示当前的课时不可以预约，1则表示可以预约，查看实验室是否可以预约也很方便，只需要检索此字段中是否有1存在即可。学生在操作预约的同时系统也统计已经预约的学生数量，与实验室可容纳的学生数量进行对比，如果当前人数少于可容纳数量，则学生可以进行预约操作，否则预约将会被拒绝。

　　(2)预约统计的实现

　　预约统计实现了未来一周内各个实验室的预约情况及历史预约记录两个内容。

　　实现未来一周内的统计需要结合系统的当前时间加以判断，在数据库中创建数据表存储相应信息，包括预约人(这里指学生)、预约实验室和预约时间等，对应的数据表结构如表1所示。

　　(3)实验成绩查询的实现

　　成绩是由教师进行录入的，相应的系统实现了一个教师录入模块，将对应的学生实验成绩录入到数据库中，这样学生便可登录此管理系统查询到自己的成绩了。

　　2.3 设备管理子系统的实现

　　设备管理主要包括新进设备的数据录入、设备维护及报废设备的处理[9]。

　　(1)新进设备

　　设备的数据录入在数据库中对应了一张数据表lab_equipment，操作只能由管理人员来完成，相应的SQL语句则对应Insert操作。

　　(2)设备维护

　　设备维护指的是设备的维修与保养，每当设备需要维护与保养时，则在数据库中对应添加一条记录信息，用来保存维护设备需要的费用、器材等，以便日后查看，相对的SQL语句也是对应Insert操作。

　　(3)设备报废

　　设备报废记录表包括了报废设备标识、数量等，当有设备报废时则对应设备表中的记录做减1操作，SQL语句对应Update操作。

　　2.4 实验室管理子系统的实现

　　当符合射频读写器天线工作频率的IC卡电子标签接近读写器天线的有效查询范围时，读写器不断地发送读卡命令，若有符合规定标准的射频标签进入天线识别范围，便读出其卡号，包括防冲突读卡号、读标签数据区，并通过蜂鸣器给出刷卡成功的信号;同时发送该卡的卡号至上位机，由上位机将其与数据库的记录数据进行比对，判断是否为合法用户并返回下位机的电磁锁是否开信息。通过ZigBee无线模块返回操作指令至射频识别模块，从而完成开门、签到和档案操作[10]。掉电工作模块在正常供电时不工作，只有在失去正常供电电源时才为射频识别模块以及ZigBee无线模块供电，保证了系统在掉电时仍然可以工作。ZigBee无线模块负责数据传送，实现数据无线传输，避免了铺设大量的信号线，同时使系统运行在电池供电状态时节省更多电量，使系统运行时间更久。各个模块之间的通信都采用异步半双工方式，波特率固定设置为9 600 bit/s。

　　上位机软件有签到和档案管理两个子模块。当使用签到模块时，软件开始监测对应计算机串口数据，并将所得到的卡号数据与数据库匹配，数据库验证权限成功则返回签到成功指令以及开门权限指令，同时等待下一个卡号数据的到来。档案管理模块可以将持卡人信息添加到数据库里，支持信息的添加、修改、删除以及多条件检索，并且可以选择是否给予该持卡人开门的权限。

　　3 结论

　　创新实验室管理系统的开发实现了创新实验室资源共享、宏观监控，充分调动了学生的学习积极性和学习潜能，提高了学生的自学能力和实践能力，提高了实验室资源的利用率，提高管理人员对创新实验室的管理水平，缓解了各种矛盾和压力，有利于综合性、设计性、创新性实验项目的开展，培养出高质量的应用型人才，不断促进创新实验室的全面发展。