新型電工電子開放實驗室智能管理系統探究

王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學 電工電子技術基礎教學實驗中心，重慶 400044)

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新型電工電子開放實驗室智能管理系統探究

王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學 電工電子技術基礎教學實驗中心，重慶 400044)

針對目前高校電工電子開放實驗室“純人工”或“半人工”式的管理下存在的各種安全隱患難以消除的問題，提出了一種“軟件智能化、硬件易實施、管理遠程化、自助一體化、極高安全性”的新型電工電子開放實驗室智能管理系統。該系統采用了先進的無線AP技術、電力載波技術、動態數據庫技術、網站建設技術以及移動互聯網交互技術，集遠程視頻監控、遠程音頻監控、遠程語音提示、智能門禁管理、智能桌面電源管理以及自助式網絡平臺于一體，滿足了開放實驗室無人現場值守情況下的各種運行需求，實驗室中心開放運用中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放實驗室利用率達到了80%以上，為高校電工電子開放實驗室的安全、高效運行提供了有力的保障。

實驗室管理； 智能管理； 門禁系統； 視頻監控系統； 智能電源管理

0 引 言

在推行自主創新型社會的大環境下，高校開放實驗室無疑是培養高等創新型人才的主要陣地[1]。一個現代化的工科類實驗室不僅是驗證經典理論的教室，更是一個對知識進行創新性研究的平臺。因此，推進高校電工電子開放實驗室的高效、安全運行是促進學生創新能力培養的有效途徑[2]。

1 研究現狀

目前，我國高校的開放實驗室基本上都還處于“教師+學生”式的純人工管理或者是“教師+學生+計算機”式的半人工管理階段[3]，該管理方法費時費力且效率低下，學生到實驗室組織實驗的流程較為復雜，從而導致學生自主實驗的積極性不高，開放實驗室的設置幾乎成為擺設。實驗室開放的內涵很豐富，但其最基本和最重要的體現是學生能自主進入實驗室、機房等場所，進行獨立的、合作的學習和研究活動，而不受限于管理人員的陪伴和僵化的作息時間表。但是，傳統的管理辦法難以為其提供保障[4]。

針對此問題，目前國內有不少高校開展對開放性實驗室管理優化的研究。貴州大學的基于STC89C54單片機、ZLG240128F觸摸液晶屏的實驗室人員出入門禁管理和實驗室預約開放系統[5]；西南科技大學的基于網絡的RFID門禁管理系統[6]；五邑大學的基于射頻識別技術和無線傳感器網絡技術的無線門禁系統與智能電源管理系統等[7]，實踐證明這些平臺的構建提高了實驗資源利用率、減少管理人員的工作量。但是，這些優化方案都沒有實質性、系統性地解決開放性實驗室的管理難題。例如，未涉及到智能預約、智能門禁、遠程視頻音頻監控管理、遠程答疑、智能手持設備操作、網站自助輔導、設備材料出入庫管理等適應現代化開放性實驗室的需求。從安全、便捷、人性化的角度出發，一套新型的、完善的針對開放性實驗室管理自動化的控制系統亟待開發。

2 整體方案

針對當前電工電子開放實驗室在“教師+學生”式的純人工管理或者是“教師+學生+計算機”式的半人工管理中所暴露出的問題，提出了一種綜合全面的新型智能化管理系統設計方案。圖1為電工電子智能化開放實驗室布置圖，其中包括出入門禁、備用緊急通道、講臺、實驗臺、焊接臺、答疑桌、材料柜、設備柜、暫存柜、視頻音頻監控設備以及智能桌面電源。新型電工電子開放實驗室智能管理系統的主要功能如下：預約進出入實驗室、預約指定實驗臺電源開斷、預約自取實驗設備和材料、自助網上答疑、自助暫存取作品、遠程視頻音頻監控、遠程開關門、遠程開關電源、遠程語音對講。

圖1 電工電子智能化開放實驗室布置圖

2.1 視頻音頻監控系統

開放實驗室的視頻音頻監控系統是其整個管理系統中非常重要的一個子系統。視頻監控的作用主要用于實驗室消防安全、學生活動內容、學生人身安全、設備儀器出入、防盜竊監督[8]。

(1) 實驗室消防安全監督。由于電工電子開放實驗室屬于電類專業實驗室，涉及到大功率儀器設備的使用，存在一定的用電安全隱患。管理員通過視頻音頻監控系統可以及時發現并通過遠程喊話方式制止相關的存在消防安全隱患的不當操作行為，或者是通過視頻音頻監控系統發現了正在發生的消防安全事故，管理員可以及時通知相關部門和人員及時到場救災。

(2) 學生活動內容監督。電工電子開放實驗室主要是為相關專業的學生提供動手實驗電工電子技術知識的場所，其中包括所需的儀器、設備和材料。為確保學生在實驗室內進行電工電子實驗相關的活動，對于占用資源進行其他非相關活動的學生需要通過視頻音頻監控系統進行排查和勸離，以保證實驗室資源的有效利用。

(3) 學生人身安全監督。由于電工電子開放實驗室屬于電類專業實驗室，涉及到用電安全和消防安全，對現場操作的學生的人身安全存在一定的安全隱患。管理員可以通過視頻音頻監控系統及時發現和制止現場學生的不當操作，以確保其人身安全。

(4) 設備儀器出入監督。電工電子實驗室的儀器設備出入管理是一項非常費時費力的工作。由于電工電子實驗室儀器設備種類繁多、數量巨大、借用人員復雜、借用期限上限較長等因素。管理員可以通過視頻音頻監控系統隨時點查實驗室內儀器設備的類型和數量，如果發現儀器設備的丟失也可以借助回放功能追蹤丟失的儀器設備的軌跡動向。

(5) 防盜竊監督。由于開放實驗室屬于無人現場值守區域，實驗室內部的貴重儀器常常成為不法分子的覬覦之物。通過視頻音頻監控系統可以實時監控和回放實驗室內、實驗室外走廊以及實驗大樓出入口視頻、音頻監控情況，為追蹤不發盜竊份子提供了有力的線索和證據[9]。

傳統的視頻音頻監控系統基本上都是采用的有線連接方式實現終端監控設備與集中控制平臺的連接，施工和后期的擴展和維護時需要大量依賴施工單位。隨著安防領域科學技術的不斷進步，我們設計了一種簡潔、方便的視頻音頻集中監控安裝方法，其網絡拓撲結構如圖2所示。該方法免去了繁瑣的布線工作，實驗室老師可以自己動手完成安裝、維護以及擴展工作，十分便捷。

圖2 開放實驗室視頻音頻監控系統網絡拓撲結構

傳統的視頻音頻監控系統一般采用的是專人值守總控室的方法，該方法僅節約了值班人手，但是值班人員必須固定在一個地點進行監控工作，特別是對于開放性實驗室，寒暑假恰恰是學生自主實驗的高峰期，管理員、教師輪班在本地總控室值守難以保證，所以亟待一種更加便捷的值班方式應用到開放實驗室監控。為此，我們設計了一種基于流媒體的校園網內家庭PC端、手持移動端通過公網都可以進行實時預覽、歷史回放、現場監聽、遠程喊話的智能監控平臺，圖3、圖4分別為開放實驗室視頻音頻監控系統手機端、PC端實時監控畫面。這種方式大大提高了高校開放實驗室管理的靈活性[10]。

圖3 開放實驗室視頻音頻監控系統手機端實時監控畫面

2.2 可預約式自助門禁系統

高校開放性實驗室具有人員流動性強、時間分配靈活等特點，傳統的門禁權限發放方式已經不適用。所以，根據高校開放性實驗室的特點設計了一種可預約式的自助門禁權限發放系統。該系統的特點：①結

圖4 開放實驗室視頻音頻監控系統PC端實時監控畫面

合開放實驗室網上自助預約的審核結果自動下發給相關學生在相對應時間段的進出門權限；②現場提前提示預約時間到期顯示，提醒學生離開教室；③在相應實驗臺預約操作時間不沖突的情況下可允許學生通過網上延時申請給予相應進出門權限時間段的補充；④對于離預約時限不足20 min且相應預約學生全部離開實驗室的，系統自動發送短信通知返回；⑤可查詢歷史出入門記錄；⑥采用了UPS作為備用電源以適應意外情況下的門禁系統的正常運行。

2.3 智能桌面電源控制系統

高校實驗室的用電安全一直是學校安全管理工作的重點。特別是高校開放性實驗室，用電安全問題不容忽視。用電安全事故一般包括電器火災、人員電傷、設備損壞等，這些事故在高校實驗室的運行中都是不允許發生的。那么，急需一套完善的桌面電源管理系統來代替值班老師完成這一項艱巨的任務。如圖5所示。基于電力載波技術的桌面電源管理系統網絡拓撲結構主要是采用電力載波芯片QCA6410[12]，在單個實驗室區域(電力載波要求必須在一個回路中)設置一臺電力載波主機，為每個實驗臺的電源插線板植入電力載波芯片，可以通過現有的電力線實現平臺服務器對指定實驗桌桌面電源的管理[13]。

圖5 基于電力載波技術的桌面電源管理系統網絡拓撲結構

與可預約式自助門禁系統相似，其電源開斷的指令是根據綜合管理平臺的預約審核情況所定，當系統檢測到有學生刷卡進入后會自動下發開啟指令給該組學生所預約的相應實驗桌電源，當系統檢測到學生刷卡離開實驗室且確定其結束實驗后，系統將自動下發關閉指令給相應實驗桌電源，以有效控制用電安全事故的發生。

2.4 綜合管理平臺

綜合管理平臺是實現電工電子開放實驗室智能管理系統的核心，其主要功能包括：學生預約(包括實驗桌預約、設備預約、材料預約)、教師審核、網上自主答疑(包括教師網上答疑、網上實驗視頻演示)、門禁管理、桌面電源管理、遠程視頻音頻監控管理、現場語音提示等。其實質上是一個具有強交互性的實驗室網站平臺[14]。綜合管理平臺功能樹圖見圖6。

圖6 綜合管理平臺功能樹圖

針對其開發特點，選用了“Visual Basic.NET+SQL Server”的開發工具。在該平臺的設計上，考慮到了各種常見工況的發生，例如外力所致的門禁常開、預約時間將至但實驗未完成、實驗未結束但學生長時間離場等，都設置了相應的處理措施。

3 結 語

高校電工電子開放實驗室智能管理系統是一種新

型電工電子開放實驗室智能管理系統。該系統借鑒了國內外其他高校的開放性實驗室智能管理系統的技術，并結合了自身在開放實驗室管理中遇到的種種問題，在多個環節上進行了創新性的設計以及完善補充。考慮到施工成本以及維護成本，采用基本無需布線的無線AP技術以及電力載波技術，節約了大量的人力、物力和財力。在電工電子技術基礎教學實驗中心開放實驗室的試運行中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放性實驗室利用率達到了80%以上。不足的一點是由于綜合管理平臺的功能復雜，目前只完成了簡單的預約、門禁、視頻音頻模塊的功能，在后期的設計中再做具體研究。

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Research of New Type of Intelligent Management System for Electrical and Electronic Laboratory

WANGWei,YANGHao,ZHAOYi-zhou

(Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Mainly for the problem that various hidden dangers for safety are difficult to be eliminated under the pure artificial or semi-artificial management methods in electrical and electronic opening-laboratory in universities, a new type of intelligence management system has been invented. The system has intelligent software, simplistic hard, long-distanced management, incorporates self-service and high security. The system satisfies various operation requirements of the scene that no administrator in opening-laboratory because it sets the advanced wireless AP technology, electric power carrier, dynamic database technology, website construction technology and mobile Internet interactive technology. And the system’s application effect is obvious in opening laboratories of Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center of Chongqing University. Especially, during the winter and summer vacations, the open laboratory utilization rate reaches more than 80%.

laboratory management; intelligent management; entrance guard system; video monitoring system; intelligent power management

2015-11-15

王 唯(1989-)，男，湖北遠安人，碩士，助理實驗師，研究方向：實驗室管理自動化、實驗教學輔助設計。

Tel.：13983138855；E-mail:cqu_ww@126.com

TN 710；G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0273-04