基于JavaEE的開放實驗管理系統的設計與實現

牛勇超, 姜周曙, 黃國輝, 王 劍， 葉曉平, 游張平, 李培遠

(1. 杭州電子科技大學 能量利用系統與控制研究所, 浙江 杭州 310018；2. 麗水學院， 浙江 麗水 323000)

基于JavaEE的開放實驗管理系統的設計與實現

牛勇超1, 姜周曙1, 黃國輝1, 王 劍1， 葉曉平2, 游張平2, 李培遠2

(1. 杭州電子科技大學 能量利用系統與控制研究所, 浙江 杭州 310018；2. 麗水學院， 浙江 麗水 323000)

通過對傳統實驗教學任務分析,基于實驗室研發了三容水箱計算機控制實驗臺,實現了JavaEE平臺的開放式實驗管理系統。該系統采用MVC分層模式的設計思想,并按照角色功能劃分了系統管理員模塊、教師模塊、學生模塊。在數據持久化方面使用Hibernate框架,采用Springmvc控制邏輯轉發,數據庫采用MySQL。用戶通過瀏覽器可以完成在線預約、實驗查詢、報告提交等,對于提高實驗室的教學管理水平有重要意義。

開放實驗； 管理系統； 資源共享； JavaEE

開放式實驗教學與傳統實驗室教學相比,能夠充分利用網絡優勢,最大限度地利用實驗資源和實現資源共享,提高儀器設備利用率。高校實驗室教學管理方式的改革勢在必行，文獻[1-3]在實驗室管理系統設計與實現方面均有論述。筆者在總結前人設計經驗的基礎上,結合杭州電子科技大學實驗設備、人員現狀等條件,自行研發了三容水箱計算機控制實驗臺,設計了基于JavaEE平臺的開放實驗管理系統。

1 開放實驗室信息管理系統整體結構

基于JavaEE平臺的開放實驗管理系統改變了傳統實驗室封閉、功能單一的缺點。學生用戶可以登錄該系統進行網絡預約實驗,可以在網上提交實驗報告、在論壇交流模塊分享實驗經驗和討論問題,還可以查詢實驗成績；指導教師可以在網上發布實驗公告、上傳實驗指導書、批改實驗報告、解決學生在實驗中發帖提出的問題和評定學生實驗的成績；管理員用戶負責實驗室的整體運行,對學生信息和教師信息進行管理。

開放式實驗管理系統主要是三容水箱計算機控制實驗臺,包括實驗管理平臺、實驗室物理平臺和采集控制平臺。

1.1 實驗管理平臺

實驗管理平臺是實驗管理系統的核心,主要負責實驗室設備的開放,實驗課程的安排、預約、公告發布等。實驗管理平臺的后臺服務器程序部署在Tomcat服務器上。當用戶在瀏覽器端登錄實驗管理平臺時,客戶端瀏覽器與Web服務器建立連接并向服務器發送登錄請求,Web服務器對請求進行處理,將結果以HTTP的格式回送到客戶端瀏覽器。客戶端對Web服務器端回應的數據進行解析并顯示給用戶,即完成一次遠程用戶與服務器的信息交互,其Web訪問原理如圖1所示。

圖1 Web訪問原理圖

1.2 實驗室物理平臺

圖2是自行研發的三容水箱計算機控制實驗臺。軟件管理平臺主要是針對自動化和計算機控制實驗進行設計的。

圖2 三容水箱系統實物圖

三容水箱實物可抽象出整體架構如圖3所示。系統的主要組成包括:3個等高水箱(水箱1、水箱2、水箱3),蓄水池,水泵1、水泵2,3個壓力傳感器,流量傳感器,連通閥,手動閥,3個電動閥。輸出控制量信號經過調理電路放大后產生0～24 V電源電壓,驅動水泵1、水泵2通過左右管路系統分別為3個水箱上水,在每一段進水管路中分別由手動閥門控制水流的進入,3個水箱的放水流量由3個電動閥分別控制,水箱之間通過可控開度的連通閥連通。水箱2裝有加熱裝置,PT100溫度傳感器負責檢測實時溫度以進行溫度控制實驗。

圖3 三容水箱整體架構圖

1.3 采集控制平臺

采集控制平臺以ADμC834單片機為核心控制器,并設計相關外圍采集電路,利用傳感器采集液位、溫度、流量、壓力等模擬信號并轉變為電壓信號送入ADμC834單片機AD模塊，轉換后通過串口發送到上位機。當核心控制器通過串口接收到來自上位機的控制信號時,對數據進行解析并通過相應的執行機構實現三容水箱的計算機控制。

2 系統功能需求分析

2.1 系統管理員模塊

系統管理員是實驗室管理的核心成員,主要職責是維護實驗室的正常運行、管理實驗數據等,并且可以對教師和學生的信息進行進行修改和查閱,擁有最高的操作權限。系統管理員的功能需求包括:

(1) 信息管理。管理教師和學生的基本信息,對教師和學生的信息進行添加、刪除、修改、更新、維護等。

(2) 數據庫管理。管理員使用數據庫備份功能對數據進行選擇性備份以應對系統故障；數據庫還原功能可以將系統恢復至數據備份時間點,以減少系統故障帶來的數據損失；流量統計功能是根據用戶訪問實驗室的時間和人流量繪制柱形圖報表,通過分析圖表來合理安排實驗室的開放時間、開放對象等[4]。

(3) 實驗設備管理。對實驗儀器設備進行登記管理,包括實驗設備的添加、刪除、更換、定期維護和檢查記錄等。

(4) 論壇管理。負責對論壇內容的管理,例如論壇話題的刪除、備份等。

2.2 教師模塊

教師負責學生實驗相關管理工作,例如實驗資料的上傳、實驗報告的下載、已預約信息的發布、實驗結果的評定等。教師的權限高于學生,其功能需求包括:

(1) 資料上傳。將與實驗相關的資料隨時上傳至網絡以供學生下載,包括課件、教學計劃、練習測試、學習資料、實驗指導書等。

(2) 批改實驗報告。可以在線批閱實驗報告,也可以將實驗報告打印后批閱。 (3) 預約信息發布。發布實驗預約信息,供學生查詢預約記錄。

(4) 實驗管理。根據實驗課程計劃安排實驗室開放時間段,指定的實驗類型等,供學生在實驗預約模塊進行選擇。

(5) 論壇板塊。針對學生在實驗中出現的問題進行答疑,更好地與學生交流。

2.3 學生模塊

學生是實驗管理的主要對象,學生模塊的功能需求包括:

(1) 信息公告。通過公告欄隨時了解實驗課程的安排等。

(2) 預約安排。此為學生模塊的核心內容,進行實驗的自助預約,查詢當前實驗預約情況,并在線預約實驗設備。

(3) 成績查詢。根據學生的學號查詢實驗成績。

(4) 信息管理。修改個人信息和登錄密碼等[5]。

(5) 論壇版塊。對實驗過程中出現的問題進行討論、分享經驗,也可以把問題提交給指導教師。

3 系統軟件設計與實現

3.1 軟件功能結構

實驗管理系統的軟件功能結構圖如圖4所示。

圖4 軟件功能結構圖

3.2 數據庫設計

數據庫服務器采用MySQL。MySQL是時下最流行的關系型數據庫管理系統,由于其體積小、速度快、成本低,并且開放源碼[6],被廣泛應用于中小型Web開發。數據庫設計得好壞直接影響管理平臺的性能,如果設計得不夠合理,不僅會增加軟件編程的難度,還會影響到后續軟件的升級和維護。按照需求分析所劃分的幾個模塊,使用MySQL分別設計了相應的數據庫表和字段。

主要包含的表有:管理員信息管理表(tb_Admin_info)、教師信息管理表(tb_Teacher_info)、學生信息管理表(tb_Student_info)、實驗成績表(tb_Exp_record)、實驗項目預約表(tb_Exp_proj_book)、實驗報告表(tb_Exp_report)、通知公告表(tb_Notice)、設備登記表(tb_Equipment_reg)等。

為保證數據庫設計的最小冗余,數據表之間保持著關聯關系[7]。例如學生信息管理表中的主鍵同時又作為實驗成績表的外鍵,它們保持著一對一的關聯關系,通過學生信息管理表的主鍵可以查詢到實驗成績表的數據。其他數據表也按照該原則設計。

3.3 軟件實現

軟件開發運行環境采用Win7 32位操作系統、MySQL數據庫,開發工具為eclipse4.4。軟件設計完成后部署在Tomcat7.0服務器上進行調試運行。

實驗管理系統采用B/S結構,避免了C/S模式“胖客戶機-瘦服務器”的弊端[8],不用分別編寫客戶端程序和服務器程序,而是可以把主要精力放在服務器端程序的實現上。用戶不用安裝客戶端程序,在不同地方直接使用瀏覽器就可以實現遠程訪問和操作。

服務器端使用JavaEE技術。Java是面向對象的語言,與.NET技術相比，具有開源、跨平臺的優勢。Java語言自帶垃圾回收機制(GC),不會存在內存泄露的問題,使得它被廣泛用于服務器端編程。程序整體架構設計使用Java廣為流行的SSH框架,采用了三層結構設計思想[9],總體結構設計如圖5所示。

圖5 總體結構設計圖

(1) 表示層的設計。表示層是用戶與開放實驗管理系統的交互界面,表示層的設計直接影響用戶體驗。表示層不能直接訪問數據,也沒有流程控制、業務邏輯等,以DIV+CSS進行頁面布局設計,使用jQuery和Bootstrap框架設計用戶登錄界面、實驗預約界面、成績查詢表單界面、上傳/下載界面等,主要用來接收用戶輸入的數據給業務邏輯層,并將后臺邏輯數據顯示到前端。

(2) 業務邏輯層設計。業務邏輯層是開放實驗管理系統架構層的核心部分,使用Spring作為邏輯層框架,負責數據的傳遞和業務邏輯方法的處理。它采用接口與實現分離的技術[10],能更好地實現軟件的可擴展性。當學生登錄進入實驗預約界面后,根據三容水箱實驗安排的時間段查看實驗預約情況并查找空閑時間段。如果學生預約成功，則根據預約的時間段進行實驗。實驗預約模塊的主要業務流程圖如圖6所示。

圖6 實驗預約流程圖

(3) 數據訪問層設計。數據訪問層也稱為持久層,負責操作數據庫中的數據,把數據持久化到數據庫中。持久層的設計選擇使用hibernate開源框架。hibernate支持ORM模式,從而在對象模型與數據庫模型之間建立一一映射關系,并對操作底層數據庫具體細節進行封裝,對業務邏輯層提供面向對象的API[11]。持久層具有相對獨立性,不依賴于邏輯層,這樣可以大大提高開發效率、降低耦合性,體現出Java技術面向對象的思想。

4 結語

Web開放實驗管理滿足了開放性、易用性、高安全性、高可靠性的性能需求[2],解決了傳統實驗室管理封閉、資源利用率低的缺點,并利用互聯網技術實現了信息化管理,降低了實驗管理與維護成本[12],使實驗室教學管理從單一化發展到多元化。該管理系統還需要進一步探索與完善,例如將遠程控制與實驗管理系統相結合,使學生可以在瀏覽器端完成水箱控制實驗。現在開發的系統已預留遠程控制開發接口,對以后的擴展有較好的支持。

References)

[1] 張立杰,朱新杰,高建明.基于Web的經管類開放實驗室管理系統設計[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):270-271.

[2] 李玉凱.基于MVC設計模式的開放實驗室管理系統設計與實現[J].信息與電腦,2015(22):72-74.

[3] 張明,朱小軍,瞿朝成.基于WEB的實驗室信息管理系統的研究與實現[J].自動化與儀器儀表,2014(1):129-130.

[4] 李仕強,王水平,李翔.基于Web的虛擬實驗互動教學平臺研究與設計[J].實驗技術與管理,2012，29(11):90-93.

[5] 雷彥華,于宏濤,馬陽.高校開放式實驗室管理系統的設計[J].信息通信,2015(3):102-103.

[6] 王飛飛,崔洋,賀亞茹.MySQL數據庫應用從入門到精通[M].北京:中國鐵道出版社,2014.

[7] 劉林濤,蔡瑜珩.基于Web技術的開放式實驗室管理系統的研究與開發[J].實驗室科學,2014,17(4):189-191.

[8] 傅宗寧.基于網絡的計算機控制技術實驗系統的研發[D].杭州:杭州電子科技大學,2015.

[9] 趙宏偉,秦昌明.基于B/S 3層體系結構的軟件設計方法研究[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):64-66.

[10] 羅頻捷,溫荷.開放實驗室管理信息系統的開發與實現[J].實驗技術與管理,2015,32(5):158-160.

[11] 孫衛琴.精通Hibernate:java對象持久化技術詳解[M].北京:電子工業出版社,2010.

[12] 賈夢瑤.基于WEB的開放式實驗室管理系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2014.

Design and realization of open experimental management system based on JavaEE

Niu Yongchao1, Jiang Zhoushu1, Huang Guohui1,Wang Jian1, Ye Xiaoping2, You Zhangping2, Li Peiyuan2

(1. Energy Utilization System and Automation Institute, HangzhouDianzi University, Hangzhou 310018, China;2. Lishui University ,Lishui 323000,China)

Through the analysis of the traditional experimental teaching task, based on the laboratory research of three tank computer control experiment platform, this article realizes the open experiment management system based on JavaEE platform. The system adopts the design idea of MVC layered mode, and divides the system administrator module, teacher module and student module according to the role function. In terms of data persistence this paper achieves the use of Hibernate framework, using Springmvc to control logical forwarding, and MySQL to manage the data. Users can complete online booking, experimental inquiry, report submission, etc., for the improvement of laboratory teaching management level, which has important significances.

open experiment; management system; resource sharing；JavaEE

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.036

2016-07-01

國家科技支撐計劃課題(2013BAC16B02);浙江省高等教育教學改革項目(kg2013136;jg20160061)

牛勇超(1990—),男,山東莒縣,在讀碩士生,主要研究方向為控制科學與工程

E-mail：nyc_hdu@163.com

姜周曙(1964—),男,浙江溫州,博士,教授,主要研究方向為能量利用系統與自動化.

E-mail：jzs@hdu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2017)1-0153-04