開放實驗室信息化配電管理系統的應用研究

摘 要： 由于受實驗人員對開放實驗室設備熟悉程度不同的影響，以往研究出的開放實驗室信息化配電管理系統無法有效保障實驗人員的用電安全，壓力測試結果不理想。因此，設計了能夠實現安全用電、壓力測試結果較為理想的開放實驗室信息化配電管理系統。此系統主要利用網絡控制器、數據庫、控制服務器和移動終端，對開放實驗室用電設備和普通使用者對設備的實驗操作進行信息化管理。控制服務器中的設備控制芯片選用51單片機，并給出51單片機的基本結構、復位電路和振蕩電路。其中，復位電路為系統提供手動復位和上電復位兩種復位方法，振蕩電路主要為51單片機供給脈沖。軟件分別賦予普通使用者、系統管理員和超級用戶不同權限和系統功能，并對系統數據庫進行研究。實驗結果表明，所設計的開放實驗室信息化配電管理系統能夠實現安全用電，且其壓力測試結果較為理想。

關鍵詞： 開放實驗室； 信息化； 配電管理系統； 用電安全

中圖分類號： TN911?34； TM734 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0027?04

Abstract： The previously?developed information distribution management system of open laboratory couldn′t guarantee the electricity security of the experimenters， and has unsatisfied pressure test result because the experimenters have not familiarity to the open laboratory equipments. Therefore， the information distribution management system of open laboratory was designed， which can guarantee the electricity security and get ideal pressure test result. This system performs information management for the electric equipments of open laboratory and experimental equipment operation of the ordinary users by means of network controller， database， control server and mobile terminal. The 51 SCM is chosen as the equipment control chip in the control server， and its fundamental structure， reset circuit and oscillation circuit are given. The reset circuit provides the manual reset and power?on reset for the system. The oscillation circuit provides the pulse for 51 SCM. The ordinary users， system administrators and super users are endowed with different permissions and system functions independently by software. The system database is studied. The experimental results show that the designed information distribution management system of open laboratory can guarantee the electricity security， and get the ideal pressure test result.

Keywords： open laboratory； informatization； power distribution management system； electricity security

0 引 言

近年來，各高校逐漸建立開放實驗室，供各專業人員研究使用。由于各專業實驗的多樣性和開放實驗室的高頻使用，給開放實驗室配電系統的合理運行帶來了一定壓力。各高校開始傾向于利用信息化的手段構建配電管理系統[1?3]。由于受實驗人員對開放實驗室設備熟悉程度不同的影響，以往研究出的開放實驗室信息化配電管理系統無法有效保障實驗人員的用電安全，以及開放實驗室設備的穩定運行。因此，研究出一種能夠實現安全用電、壓力測試結果較為理想的開放實驗室信息化配電管理系統，是各高校關注的重點[4?6]。

以往研究出的開放實驗室信息化配電管理系統均存在一定問題，文獻[1]研究出嵌入式開放實驗室信息化配電管理系統，此系統將其軟件應用端與單片機融合在一起，并構建了瀏覽器/服務器模型，使系統能夠對開放實驗室的用電操作進行遠程信息化管理，此系統的壓力測試結果較為理想，但無法有效保障實驗人員的用電安全。文獻[7]研究出基于MySQL數據庫的開放實驗室信息化配電管理系統，此系統利用MySQL數據庫構建瀏覽器/服務器模型，其價格低廉，且能夠有效保障實驗人員的用電安全，但壓力測試結果有待提高。文獻[8]研究出基于GIS的開放實驗室信息化配電管理系統，整個系統利用GIS的以上優勢，為開放實驗室的用電設備提供了合理的信息化管理功能，但其價格昂貴，無法在高校內實施大面積推廣。文獻[9]研究出基于AM/FM的開放實驗室信息化配電管理系統，此系統利用AM/FM對開放實驗室的用電操作進行合理規劃，其壓力測試結果較為理想，但無法有效保障實驗人員的用電安全。

借鑒上述開放實驗室信息化配電管理系統的優點，摒棄其中缺點，設計出能夠實現安全用電、壓力測試結果較為理想的開放實驗室信息化配電管理系統。

1 開放實驗室信息化配電管理系統設計

1.1 系統整體架構設計

所設計的開放實驗室信息化配電管理系統利用雙向通信的方式，賦予使用者特定管理權限，使系統管理員能夠通過移動終端隨時隨地管理開放實驗室的用電設備，以及普通使用者對用電設備的實時操作。圖1是系統整體架構圖。

由圖1可知，開放實驗室信息化配電管理系統融合了多種電子科學應用技術，系統中的網絡控制器處于應用層，其基于超文本傳輸協議構建；開放實驗室用電設備處于運輸層，其基于傳輸控制協議構建；數據庫處于網絡層，以能滿足數據庫不斷增長的內存；控制服務器處于數據鏈路層，其利用設備控制芯片處理系統的傳輸誤差；移動終端處于物理層，為使用者提供各項功能服務。

開放實驗室信息化配電管理系統為增強實驗人員的用電安全，使用者僅在被賦予系統管理員權限的情況下，才能夠對開放實驗室中的用電設備進行信息化配電管理。系統管理員首先向開放實驗室用電設備確認管理請求，請求成功后系統會生成惟一管理指令。該管理指令連同用電設備操作信息，將利用雙向通信的方式被傳送到網絡控制器中，網絡控制器借鑒數據庫內容，對用電設備操作信息進行實時運算、信息挖掘和控制，確保系統管理流程精準無誤。隨后，控制服務器對網絡控制器中的控制信息進行糾錯，糾錯結果會存儲在數據庫并傳送到移動終端。移動終端是整個系統最低層的硬件設備，其傳輸技術選用ZigBee。ZigBee是遠程監管領域中最常用的傳輸技術，其優點在于自身對數據信息的安全穩定傳送和接收能力，以及其低能耗和較高的管理效率。

1.2 設備控制芯片設計

設備控制芯片是開放實驗室信息化配電管理系統實現安全用電、保障壓力測試結果的基礎元件，系統選用51單片機作為設備控制芯片。51單片機是當前應用最廣泛、功能較為完善的控制芯片，其基本結構見圖2。

由圖2可知，并行I/O口為51單片機提供了較高的傳輸速率，并能夠有效簡化51單片機對控制信息的控制流程；串行通信口用于實現51單片機和移動終端的信息傳送；中斷系統能夠進行控制信息的實時控制，并自動修正電路故障，進而增強51單片機控制效率；程序存儲器和數據存儲器分別用來存儲51單片機中的代碼和變量信息，程序存儲器只能進行信息的讀取，而數據存儲器可以對存入其中的信息進行讀取和修改。上述研究成果能夠保護開放實驗室信息化配電管理系統信息的安全性。當網絡控制器將其控制信息傳送給控制服務器時，控制服務器中的51單片機通過串口對控制信息進行接收，并同時調用其內部時鐘對控制流程進行計時。51單片機通過分析控制信息中的幀信息，完成對控制信息的糾錯。51單片機內部還配備了復位電路和振蕩電路，如圖3、圖4所示。

由圖3可知，51單片機為開放實驗室信息化配電管理系統提供了兩種復位方法，分別是手動復位和上電復位。手動復位是使用者進行的人為復位操作，使用者按住復位按鈕后，復位腳會被給予電源的高電平。松開后，51單片機便開始運行；在上電復位進行中，由于電容C的兩端電壓不會發生突變，故電源利用電容C為51單片機提供5 V高電平，并經由10 kΩ的電阻為電容C進行反向充電。當復位腳電平降為零時，51單片機便開始自動運行。

由圖4可知，振蕩電路的主要作用是為51單片機供給脈沖。振蕩電路的頻率與51單片機的運行效率呈正相關性，但過高的頻率也會造成存儲器中的信息擁堵，故選用12 MHz的振蕩電路較為適合。為使51單片機安全穩定運行，電容C1，C2的規格選擇了66 pF，并對電容進行陶瓷封裝。

2 開放實驗室信息化配電管理系統軟件設計

2.1 系統功能設計

為了設計出能夠實現安全用電、壓力測試結果較為理想的開放實驗室信息化配電管理系統，在軟件研究中應選取階梯式的信息化管理，即為不同階層使用者賦予合理的系統使用權限，以實現系統對開放實驗室用電設備的單獨控制、統一管理，如圖5所示。

由圖5可知，登錄、修改密碼和系統退出是開放實驗室信息化配電管理系統的基本功能，任何使用者都能夠使用這三項基本功能。同時，開放實驗室信息化配電管理系統為普通使用者、系統管理員和超級用戶分別賦予了不同的使用權限。普通使用者擁有查詢特定信息的權限，包括查詢學生、教師和課程的信息，也能夠在線進行開放實驗室使用申請操作，是系統的低級階層使用者；系統管理員作為系統的中級階層使用者擁有一定的管理權限，包括對學生、教師、課程、用電設備以及開放實驗室使用申請的管理，即其擁有的主要是對普通使用者操作用電設備的控制權限。普通使用者的操作只有經系統管理員同意后，方能正常進行，以使實驗人員的用電安全得以保證，降低開放實驗室中用電設備的損傷程度；超級用戶是系統管理員的監督人員，其主要對系統管理員的權限信息進行管理，避免系統管理員出現操作誤差。

2.2 系統數據庫設計

數據庫是開放實驗室信息化配電管理系統進行用電設備管理的“后臺支持者”，其能夠為使用者提供用電設備信息的采集、匯總、編碼、存儲和查詢等功能。對于數據庫邏輯架構的研究，應重點考慮其對系統各項性能的影響程度，并盡可能避免數據庫中信息重疊、存儲分配不當、信息修正不正常顯示等現象的出現。數據庫邏輯架構主要進行了學生屬性、教師屬性、系統管理員屬性、課程屬性、實驗室申請使用屬性和用電設備屬性的研究。圖6是用電設備屬性圖。

由圖6可知，所研究的用電設備屬性能夠較為合理地為使用者提供后臺支持。根據圖6進行系統用電設備與開放實驗室E?R圖的研究，研究成果如圖7所示。

E?R圖是一種能夠將實體種類、屬性以及關系有機融合在一起的模型圖，E?R圖以其直觀的研究理念被廣泛應用于數據庫中。圖7中，矩形框內容是實體種類，橢圓框內容納的是屬性，菱形框內容是兩實體間的關系。

3 實驗測試

3.1 系統壓力測試

壓力測試是一種能夠有效檢驗開放實驗室信息化配電管理系統可靠性、穩定性以及運行誤差的測試，壓力測試的結果直接代表著系統綜合性能水平。將本文研究的開放實驗室信息化配電管理系統應用于某高校開放實驗室進行壓力測試，選取5種不同的測試方法，并設置較高的壓力測試標準。如果本文系統能夠通過高標準的壓力測試，則證明其擁有較高的市場競爭力。壓力測試實驗結果如表1所示。

由表1可知，在本文系統的壓力測試中，實驗內容和系統輸出操作能夠準確對應，而且壓力測試結果均顯示為通過，證明本文系統擁有較高的可靠性和穩定性，運行誤差較低，壓力測試結果較為理想。

3.2 系統用電安全測試

開放實驗室信息化配電管理系統的用電安全測試應從開放實驗室的線損率和系統管理信息的傳送效率入手。線損率是配電管理系統的一項重要指標，用電設備的合理使用會降低線損率。因而，線損率越低，所研究出的開放實驗室信息化配電管理系統對用電設備的管理能力就越強，實驗人員的用電安全就能夠得到更好的保障。同理，系統管理信息的傳送效率也與系統對用電設備的管理能力呈正相關性，即如果系統擁有較高的管理信息傳送效率，那么實驗人員的用電就越安全。

將線損電量與總供電量相比，乘上100%，即可得出線損率；實驗進行了5次系統管理信息傳送效率測試，每次的管理信息傳送總量均不同（與實驗人員的操作有關）。將單位時間內系統管理信息的接收量與傳送總量相比，乘上100%，即可得出系統管理信息傳送效率。系統用電安全測試實驗結果如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可看出，本文系統的線損率波動區間維持在[5.2%，6.0%]之間，數值較低；系統管理信息傳送效率維持在[88.1%，94.7%]之間，效率較高。以上結果可證明本文系統能夠實現開放實驗室的安全用電。

4 結 論

本文設計能夠實現安全用電、壓力測試結果較為理想的開放實驗室信息化配電管理系統。此系統主要利用網絡控制器、數據庫、控制服務器和移動終端，對開放實驗室用電設備和普通使用者對設備的實驗操作進行信息化管理。控制服務器中的設備控制芯片選用51單片機，并給出51單片機的基本結構、復位電路和振蕩電路。其中，復位電路為系統提供手動復位和上電復位兩種復位方法，振蕩電路主要為51單片機供給脈沖。軟件分別賦予普通使用者、系統管理員和超級用戶不同權限和系統功能，并對系統數據庫進行研究。實驗結果能夠證明，所設計的開放實驗室信息化配電管理系統能夠實現安全用電，且其壓力測試結果較為理想。

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