一種基于ＩＰ網絡的研究型實驗室智能管理平臺

【摘要】針對高校要求研究型實驗室進行全面開放管理，基于校園IP網絡，設計并實現了一種融合校園一卡通、門禁考勤、視頻在線監控、環境監控、電源管理等系統組成部分的開放型實驗室智能管理平臺。實踐證明，此平臺的構建，是提高實驗資源利用率，減少管理人員工作量的有效方法。

【關鍵詞】開放；IP 網絡；監控；智能化

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 04—0103—03

實驗室是高校進行實驗教學、科研的重要基地，也是反映高校學科建設和教學管理水平的重要標志。隨著高校教育改革的深入，傳統的實驗室管理方式，尤其是研究型實驗室的管理模式已日益落后于新的教改體制。目前，不少實驗人對研究型實驗室開放已經有比較全面的認識并作了一些有益的探討[1-4]。但大多數只是從軟環境方面去研究而忽視對硬環境的探索。

現代網絡技術的完善和高校校園網絡的健全，都為實驗室管理的網絡化的提供了前所未有的硬件基礎。因此，我們結合多種信息安全系統，設計并實現了一種實用可靠的研究型實驗室開放智能管理平臺，應用于作者所在985學科建設的信息與通信系統一級學科系統實現實驗室管理中，對實驗室采取了開放式、無人值守的全天候智能化管理。

一 研究型實驗室

1研究型實驗室的開放

研究型實驗室通常指的是為某個學科服務的面向教師和學生，特別是研究生開放的資源共享實驗室，此類實驗室的開放是高等教育培養創新人才的客觀要求。研究型實驗室開放有利于教師與學生素質的提高，有利于實驗室資源充分使用，有利于產學研一體化，是高等院校教育的必然趨勢。

2實驗室開放中的問題與對策

研究型實驗室開放也有不利的一面，譬如要增加實驗室管理人員工作量，會加大實驗材料損耗及儀器設備損壞率等。因而，如何發揮研究型實驗室開放的優勢，又避免實驗室開放的不足，是我們面臨的一個重要課題。如果僅僅從健全管理制度入手，依靠完善管理人員激勵機制，增加建設經費投入，或者放開讓學生自己管理是遠遠不夠的。因此，利用先進技術促進管理方法的進步，建立適應信息時代的高校實驗室網絡化管理模式，是當前實驗室管理改革的有效途徑[5]。

二 實驗室智能管理平臺

針對上述問題，我們本著以人為本、實用可靠的原則，提出并且構建了一個基于IP網絡的全天候實驗室開放智能管理平臺。該管理平臺依靠于校園網絡，將校園一卡通、門禁考勤、視頻監控、電源管理及實驗室環境監控等系統有機的結合了起來。

1 系統總體設計思路

（1） 實驗室智能管理

智能管理的思想是: 當教師和學生進入實驗室時，一卡通/門禁系統完成識別身份，并自動分配實驗室微機，打開相應的電源，并由視頻監控系統對實驗過程同步記錄；實驗完畢，人員刷卡離開實驗室，微機電源自動切斷；同時對室內環境進行監測，并可以在遠程對實驗室進行監控。

（2） “Everything over IP”

我們的平臺以IP網絡為基礎，IP技術最引人之處是可以將所有系統連接在一起。IP技術這種廣泛的物理網絡適應能力以及各計算機、網絡設備廠家都對IP支持的特點，使得IP業務的應用領域十分廣泛，也就是通常講的“Everything over IP”，可以實現基于TCP/IP協議、UDP協議、RTP實時傳送協議、RTCP實時傳送控制協議和RSVP資源預留協議等多種不同協議的系統應用開發。這一切都為我們實現多系統的融合提供了有力支持。

2 系統構成

平臺完全基于IP網絡進行設計，整個系統由管理服務器、一卡通/門禁系統、視頻采集/錄像系統、電源管理和環境監測五部分構成，其結構如圖1。

（1） 實驗室網絡結構

實驗室采用神州數碼DCS3926S高性能可堆疊交換機，加裝DC1800防火墻，可提供100M的網絡訪問速率到桌面。系統拓撲結構如圖2所示。

出于安全性的考慮，某些網絡節點的數據需要相對保密，我們希望實驗室計算機與管理服務器等其他IP網絡設備處在不同的子網之中。DCS3926交換機支持VLAN（虛擬局域網）技術，通過在交換機上的設置VLAN，將實驗用計算機和管理服務器等其他網絡設備分別劃分在VLAN1和VLAN2中，這樣既限制了不同類別計算機之間的訪問，提高了安全性，又減少了管理開銷，提高了網絡性能。

在網絡管理方面，我們采用神州數碼的網絡防火墻DC1800，這是一套用于用戶上網接入認證授權的防火墻綜合管理系統，DC1800的管理工具提供了跨平臺的管理能力，實現通過網絡的遠程多點并發管理能力。保證管理人員在身處異地時，對DC1800的管理操作，可以對用戶上網時段進行控制，有效地避免實驗室人員在工作時間段上網看電影、聊天等與研究無關的活動。

（2） 一卡通/門禁系統

現在很多高校都已經使用了校園一卡通系統，校內師生都有一張屬于自己的智能IC卡，以實現校內身份識別與消費等功能。一卡通/門禁系統驗證人員身份，刷卡進出，以此取代傳統的鑰匙及人工出入登記工作。智能化門禁系統由門禁控制器、電子鎖、讀卡器、通信轉換器和電源組成，結構框圖如圖3所示。系統采用了PHILIPS公司的Mifare1射頻IC卡，非接觸式讀卡。卡與讀寫器之間采用DES和RES保密交叉算法進行通信，具有極高的保密性能。HDS2208門禁控制器可單個也可聯網使用，控制器配接讀卡器、電子鎖、出門控制開關和通信轉換器。門禁控制器與讀卡器之間采用485總線連接，而通信轉換器內置嵌入式MOXA DE211協議轉換模塊，可實現485－TCP/IP協議的轉換，將門禁系統接入網絡，以實現從網絡遠端進行數據下載采集或遠端開關門。

（3） 在線視頻監控

通過在實驗室各個角度安裝攝像機，監控實驗室人員進出與儀器使用情況，將錄入視頻進行壓縮后寫入硬盤，并可經過網絡傳輸至遠端。在線視頻監控系統由固定/旋轉攝像機、硬盤錄像機、云臺、控制器和485/232協議轉換器等組成，系統構成如圖4所示。

DVR（硬盤錄像機），是一種新型錄像機，將錄入的視頻圖像經數字化壓縮后存貯在硬盤里，壓縮比可調。圖像文件可以自動刪除，循環工作。系統采用天敏4路硬盤錄像機，用戶可以隨時按照時間、地點(鏡頭)或圖像文件進行檢索和回放。圖像壓縮采用MPEG4格式，與眾多的壓縮算法相比，降低存儲容量，獲得較高清晰度，支持視頻圖像的網絡傳輸。進一步通過安裝專用軟件包，可使DVR支持網絡視頻傳輸，從而實現實驗室影像的遠程監控。

本系統還支持內存預錄，即通過事件觸發錄像功能，使得系統不需進行全程視頻記錄，只記錄突發事件發生前后一段時間內的內容。系統先將實時圖像信息讀入內存但不寫入硬盤，待有事件發生時才完成寫盤，此功能可以節約大量的存儲空間。另一種節省硬盤存儲的方法是動態偵測技術，即通過截獲畫面的像素變化識別人員進出運動來激活錄像存儲進程。

（4） 電源管理

電源管理系統與門禁系統配合，當人員刷卡進入實驗室時，激活電源控制窗口，管理系統把分配的站位號傳給基于AT89C51單片機開發的電源控制器，該控制器將站位號進行處理，查出其物理地址，采用無觸點方式打開相應站位的電源，并顯示其電源狀態；當人員離開刷卡時，電源控制器將站位號處理后關閉相應電源。為保證資源控制系統工作的可靠性，可以設置自動和手動兩種控制方式，在自動工作方式失效或非刷卡上機時，可切換到手動工作方式，直接控制電源開關。電源管理系統結構如圖5（a）所示。

（5） 環境監測

實驗室環境的好壞直接影響到設備運行及使用壽命，場地環境主要包括溫濕度潔凈度和防火等，良好的環境是實驗室正常運作的重要保證。環境監測網絡由若干溫濕度傳感器節點、煙感和協議轉換器組成，并介入網絡，環境監測系統結構如圖5（b）所示。

三 結論

研究型實驗室開放對培養高素質人才的作用是顯而易見的。這種開放不是形式上的開放，而是包括時間開放、空間開放、設備開放、管理開放、實驗體系開放、實驗內容開放的全方位開放。對照傳統的實驗室管理方式，充分利用現有網絡，采用智能化管理，大大延長了實驗室的開放時間，進一步提高了實驗資源的利用率，減輕了管理人員的工作強度，對提高實驗室的安全性也有很大的幫助。實驗室自建成投入使用至今已近一年，實驗室網絡和整個工作運轉正常，實驗設備、計算機得到有效管理，設備利用率得到了極大的提高。它在研究型實驗室開放工作中具有很好的推廣價值，是今后實驗室發展的主要方向之一。

參考文獻

[1]關洪斌， 王曉蘭. 知識經濟時代實驗室改革與管理策略[J]. 實驗室研究與探索， 2005， (3)， 95-97.

[2]黃正軍， 周建中. 基于Intranet的數字視頻監控系統研究[J]. 武漢理工大學學報， 2002， (10)， 36-39.

[3]韓加， 洪衛軍. 基于IP網絡的視頻監控系統分析[J]. 中國人民公安大學學報， 2005， (1)， 29-32.

[4]陳寧寧，林善法，鄭育華. 開放實驗室的建設與管理[J]. 實驗室研究與探索， 2004， (7)， 102-104.

[5]陳孔亮，馬廣智，鄭啟明. 全天候實驗室開放技術平臺的構建[J]. 實驗技術與管理， 2004， (4)， 46-49.