基于電力載波的實驗室開放系統設計

車明浪+岳媛媛+李明

摘 要：在創新創業背景下，高校實驗室作為提高大學生科技創新創業能力培養的重要基地，需要建設相配套的開放式實驗室來提高學生的實踐能力。為了整合高校實驗資源，滿足復雜、多樣、多用途的實驗室使用，文章研究如何利用經濟實用的電力載波技術，設計一套實驗室信息化系統。

關鍵詞：電力載波；控制系統；管理系統；監控系統

隨著高校教學模式的不斷改革，利用現代化的管理手段和技術進行高校實驗室信息化建設，來提高師生的學習能力和動手能力，逐漸成為高校培養應用型人才急需解決的問題。開放式實驗室是一種信息化、現代化的管理方式，通過對多方面資源、信息的整合和利用，改造師生參與實驗的模式、時間、項目等，可以為高校的實驗室教學提供更加全面細致的服務。本文針對當前高校實驗室管理現狀，提出了開放式實驗室管理系統的建設。

1 開放式實驗室的意義和存在問題

高校實驗室信息化是深化教學改革、培養新型人才的需要。在知識經濟時代，科學技術與市場經濟的互動發展，迫切要求高等學校培養出的人才不但掌握現代科學技術手段，又要具備多渠道獲取知識和信息的能力，創新能力的形成，依賴于知識、信息的積累和運用，信息化建設作為一種戰略性決策和技術手段，可以確保學校知識、信息的流通，從而不斷提高高校人才培養質量和技術創新能力、教學平臺、科研平臺的管理機制，實現實驗實和儀器的自動化開放式管理。

實驗室存在的問題如下：

（1）實驗人員要逐個實驗室開關門，實驗室數量多，學生進入后，無法及時輔導和安排。學生在實驗室隨意調整設備使用或隨意操作，實驗員無法監控實驗設備正常安全使用。

（2）實驗室的燈光和設備在上班時間內，全部保持通電狀態。浪費電能且對設備的損耗高。

（3）實驗室使用分散，管理效率低，成本高，無法規范使用，對實驗室的實驗設備和實驗操作人員的安全問題也存在很大隱患。

在高校信息化管理的日趨完善的今天，利用電力載波技術對實驗室管理系統進行改造是很有必要的。

2 基于電力載波的實驗室開放系統設計方案

電力線載波（PLC）是電力系統特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞，這一優點是解決實驗室系統數據傳輸的最優方案之一。

基于電力載波技術的開放式實驗系統，可以實現以下功能：大學生創新創業活動資源共享，工作室使用效率提高，實踐操作的智能管理，延長設備使用壽命。管理員通過系統設置，自動控制電源，給有學生預約的實驗教室和儀器設備通電，掌握監控實驗室的使用情況和安全狀態。系統設計圖如圖1所示：

2.1 控制系統

（1）通過電源控制、計算機系統控制、門禁等方式，實現儀器設備的自動化監管。

（2）結合校園一卡通，建設儀器設備的使用身份認證、網上授權、網上預約、記錄使用信息等自動化管理，使實驗室及相關儀器避免非法訪問。

（3）建立和完善儀器綜合信息數據庫，打通信息自動收集渠道，解決信息收集難題，促進技術創新。

（4）建立和完善與主管部門的數據交換接口，實現數據自動上報。

（5）籍此全面實現實驗室及儀器設備的開放式管理，為打造開放性教學平臺和開放式科研平臺打好基礎，并將教師從繁雜的管理工作解放出來，又更多的時間和精力投入到教學、科研和技術創新上，促進技術支撐隊伍建設。

本系統由門控、燈控、設備控制三個系統組成。

2.1.1 門控系統

先期對實訓室進行改造，改造完成后利用電力載波技術將實驗室所有門進行控制，實現在設定時間內開放與關閉，也可單開或單閉。

2.1.2 燈控系統

利用電力載波技術將實驗室內照明設施進行控制，同樣實現在規定時間內開與關，單開或單閉，減少電力資源浪費。

2.1.3 設備控制系統

利用電力載波技術將實驗室設備進行控制，實現設備單個通電，提高設備使用安全系數，延長設備使用壽命。

2.2 管理系統

本系統由用戶識別、用戶預約、門禁系統組成。

2.2.1 用戶識別

用戶識別由兩部分構成，第一部分與學院現有學生成績查詢系統合并，用同樣的有效身份登錄進行實訓室使用情況查詢；第二部分為身份識別卡，持卡進入實驗室進行相關實驗。

2.2.2 用戶預約

實驗室使用情況查詢完畢后，在系統內進行用戶預約（定室定機），在預約時間內進行相關實驗，進行實驗時及試驗后顯示并記錄進入與離開時間段，提高設備使用效率。

2.2.3 門禁系統

進入實驗室進行實驗前持身份識別卡，在門禁系統刷卡進入，同時用戶預約顯示進行，離開實驗室同樣顯示離開，保證設備及工具安全。

利用門禁系統實施用戶刷卡識別，做到“有約可用，未約禁用”，保證實驗室開放的有序性，維護預約人員的權益。

2.3 監控系統

本系統由樓道監控、實驗室監控構成，利用現有網絡監控技術實現監控全覆蓋，提高實訓室及設備使用安全性，保證操作人員使用安全。

3 系統設計考慮主要因素

3.1 控制精度

實驗室開放系統設計要達到按照預約定室定機的要求，因此設備開閉需要達到控制精度要求是首要因素，電力載波技術的發展能夠達到控制精度要求。

3.2 可靠性

實驗時要保證預約無差錯、門禁開放正常、實驗室設備使用正常。因此在對系統設計元件選型時產品的成熟度是個重點考慮因素，單片機技術的配合使用及成熟門禁系統和網絡監控技術配套，可靠性能夠得到保證。

3.3 節能環保

節能環保是社會可持續發展的保障，選用電力載波技術進行門控、燈控、設備控制不用進行重新布線，有效降低了設備運行成本。

3.4 操作使用便利性

實驗室使用預約開放對于高校實驗室管理是個新課題，因此必須保證預約操作界面人性化，通俗易懂，無須專門的培訓，同時要求日常維護管理簡便，不需專業人員，所此設計預約體統選擇與現有學生查詢體統兼容，提高使用效率。

4 發展的方向

4.1 功能的完善與改進

根據學院發展的情況與實驗實訓室建設情況，針對不同的實驗室性質完善改進不同的功能，滿足廣大師生創新創業的需求。

4.2 系統的升級與改造

設計時預留擴展槽與數據庫接口，隨著技術的不斷成熟與發展的需要，增加相應的必備功能，增強師生使用便捷性。

5 結束語

知識經濟時代的21世紀，利用現代化技術手段對實驗室運行進行開放式過程管理，不僅能夠充分利用資源，也能提高師生創新能力的培養，在一定程度上推進了實驗室建設的健康發展。

參考文獻

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作者簡介：車明浪（1984-），男，講師，工學學士，研究方向：機械制造，機械電子。