基于智慧校園的實驗室管理系統研究

摘 要：高校實驗室實訓室的管理一直是一個亟待解決的難題。隨著智慧校園在高校中的普及，實驗室也可以依托物聯網、云計算等新技術進行信息化管理。文章描述了一種基于單片機和混合通信模塊的實驗室管理終端設計，該終端不僅可以使用物聯網技術對教師、學生和相關設備進行管理，同時還可以通過無線模塊進行作業的分發和收集。由于該裝置集成了定位模塊和獨立電源模塊，可對該裝置進行重復利用。

關鍵詞：高校實驗室實訓室；智慧校園；信息化管理

基金項目：2016年安徽機電職業技術學院院級重點研究項目；項目名稱：多場景Vanet廣播路由研究；項目編號：2016zdzr10。

作者簡介：張靜（1984— ），女，安徽蕪湖，本科，助理實驗師；研究方向：高校實驗室建設，網絡設計。

隨著物聯網和云計算技術的普及與應用，傳統的教育管理已不能適應于當前的形勢。傳統的以網絡覆蓋為標志的數字校園逐步向依托于物聯網、移動互聯等技術的智慧校園發展。智慧校園的內涵包括具有環境全面感知、網絡無縫互通、海量數據支撐、開放學習環境和師生個性服務等5個方面的特征[1-2]。傳統的高校實驗實訓室管理模式已不能適應于當前的形勢，如何將其融入智慧校園的建設，需要基于智慧校園平臺設計出相關的裝置。

1 實驗室管理終端設計

由于高校前期均建立了相關無線基礎設施，幾乎在校園內學生都可以享受到高帶寬的數據接入，基于智慧校園的實驗室管理裝置主要有以下設計要點。（1）門禁、電源控制模塊。使用物聯網技術控制實訓室相關門禁系統，使得實訓室在規定的時間能夠開門和打開實訓室電源裝置。（2）終端控制模塊包括：單片機主控模塊、無線網絡傳輸模塊、實驗室人數實時統計模塊（藍牙統計）、課程資源分發收集模塊等。單片機主控模塊控制各模塊的工作，無線網絡傳輸模塊使用ZigBee技術、WLAN技術、藍牙技術來傳輸各類信息。課程資源分發收集模塊主要是用來驗證課表中的課程，同時來分發和收集相關課程作業信息。實驗室人數統計模塊是使用藍牙通信方式實時收集所在區域的學生和教師信息。（3）設備裝置的可重用性和可擴展性。當實驗室需要改建或者重建，該裝置可以做到“即插即用”。由于有定位裝置和電源裝置，只需要進行相關參數設置，就可以用于教室和體育館等其他實驗實訓場所。下文將具體介紹這幾種設計要點。

1.1 裝置無線通信模塊設計與實現

無線通信模塊是該裝置的核心部分，主要負責進行數據通信和部分協同工作，由于校園網內均有WiFi信號覆蓋，可以使用無線WiFi進行大量數據的傳輸和校時工作，裝置通信模塊框如圖1所示。各網絡通信模塊均連接至主控模塊MCU，同時均有相關外置天線，用于信號的發射。無線WiFi[3]模塊使用超低功耗的串口WiFi模塊USR-C215，能夠實現TTL串口與WiFi的雙向透明傳輸，波特率為1 200～460.8 kbps。主要用于裝置系統與服務器之間的校時工作、上傳學生作業至服務器、下載并分發教師作業，同時可以定期的上傳日志工作。ZigBee模塊[4]主要是負責實驗實訓室的門禁系統，在上課時候把門開啟，同時在無人的時候（通過紅外感應）將門關閉。GPS定位模塊[5-6]主要使用MT6261D芯片實現裝置的定位，它為服務器的管理提供依據，同時為后期裝置的重用提供保障。無線藍牙模塊使用低功耗藍牙無線芯片NRF51822連接MCU，主要用于學生和教師的考勤工作，由于教師和學生手機均有藍牙功能，裝置通過不定期地發送考勤請求來完成考勤工作。由于藍牙的傳輸距離受限，這種方式既完成了考勤的目的，也不會干擾到其他實訓室的考勤工作。

1.2 裝置硬件結構和主要功能

該裝置主要安裝在實訓室的門上，可以使用掛壁式的或嵌入式的。在設計過程中，主要考慮到裝置的供電問題，可以通過交流電進行供電，也可以使用相關的蓄電池對裝置供電，該裝置的主要結構框如圖2所示。裝置通過無線傳輸模塊和天線模塊與服務器進行通信，獲取服務器上準確的時間信息并定時更新。在每日的6：00，裝置定時同服務器進行通信，下載本實驗實訓室今天所有的課程信息和相關資料信息，并將其存到FLASH存儲模塊中。上課前20分鐘，ZigBee模塊會自動打開門禁系統，并在LCD顯示器上顯示課程相關信息和教師相關信息，學生可以進入實訓場所。上課時，裝置會自動將教師本次課程的相關資料和作業文件通過WiFi或者實訓室局域網傳送至學生的客戶機上，供學生完成。當課程結束后，裝置通過紅外感應模塊判斷實訓室是否有學生，如果沒有會自動關上門，同時開啟安防模式。如果此時有非法進入，就會通過無線傳輸模塊通知服務器，同時通過聲光報警模塊進行報警。

學生也可以通過每個實訓室門前的LCD顯示器查詢相關實訓室的安排情況，學生只需要通過鍵盤輸入模塊輸入學號、時間，就可以看到該實訓室的安排。輸入部分為矩陣鍵盤，這是數字系統中很常用的輸入方式。0～9數字鍵，輸入學號、教室號、周幾等等信息；SET鍵，選擇輸入、確認等信息；DEL鍵，用于輸錯刪除等；ESC鍵，退出查詢返回主菜單。

指紋識別模塊是在特殊情況下使用的，一般裝置在FLASH中存儲著管理員的指紋信息和部分教師的指紋信息。當裝置發生錯誤導致無法進行門禁開啟時，可以通過指紋進行解鎖操作。

學生進入教室后，開啟自己手機的藍牙功能，裝置通過搜集學生的藍牙信息來進行考勤。同時，生成一張考勤表傳送給服務器。由于裝置會周期性地進行考勤工作，這樣可以防止學生中途離開，也可對學生遲到和曠課進行區分。

1.3 裝置的軟件設計

裝置的軟件設計是整個產品的核心部分，使用該系統的用戶無非4類人，教師、學生、實訓室管理員和系統管理員。（1）學生可以通過網頁或者移動客戶端平臺登錄管理系統（見圖3），不僅可以修改個人信息，查看個人的課表和課程所在的實驗室，同時還可以通過該平臺查詢自己的相關考勤記錄和相關課程信息。（2）教師可以通過該平臺上傳相關課程的授課資料、學生的作業等文件。文件通過服務器傳送給相關實訓室的FLASH中（由于FLASH容量有限，每個裝置只存儲當天的文件信息，服務器上保存所有歷史信息），該文件將在上課時傳送給學生用戶，教師還可以通過該系統查看到課程所有考勤的情況。（3）實訓室管理員用戶可以通過系統查看自己實訓室的使用情況，包括教師課表、機器使用情況、學生考勤情況、裝置的異常日志等信息。由于系統自己可以生成報表，這樣大大減輕了實訓室教師的工作強度。（4）系統管理員用戶，該類用戶可以通過系統得到所有裝置的使用情況報告（包括日志信息、錯誤消息和代碼等），同時可以管理各類用戶。

2 結語

文中采用單片機與各類傳感器模塊相結合設計的高校實驗實訓室管理系統，已在部分高校的相關實訓室進行小范圍的試用。實際運行使用中，該裝置工作穩定可靠，同時，可大大降低實驗實訓人員的工作強度，將其適當修改可用于教室的管理中，適合在高校特別是實訓室較多的高職院校進行推廣。

無線互聯科技

Wireless Internet Technology

[參考文獻]

[1]黃榮懷，張進寶，胡永斌，等.智慧校園：數字校園發展的必然趨勢[J].開放教育研究，2012（4）：12-17.

[2]蔣東興.“云端一體化”高校智慧校園暢想[J].中國教育網絡，2014（1）：49-52.

[3]曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無線測控系統設計與實現[J].電測與儀表，2011（547）：81-96.

[4]方穎松.RFID 技術在庫存管理中的應用[D].上海：復旦大學，2008.

[5]孫國峰，胡景春.基于Android 的物聯網控制系統的設計與實現[J].微型機與應用，2013（1）：7-10.

[6]夏忠球.淺談GPRS的網絡工作原理及其優勢[J].電腦與電信，2010（12）：36-37.

Abstract： The management of laboratory training room in colleges and universities has always been a difficult problem to be solved. With the popularization of smart campus in colleges and universities， the laboratory can also rely on internet of things， cloud computing and other new technologies for information management. This paper describes the design of a laboratory management terminal based on single chip and hybrid communication module. The terminal can not only use the internet of things technology to manage the teachers， students and related equipment， but also can carry out work distribution and collection through the wireless module. Because the device integrates the positioning module and the independent power module， it can be reused.

Key words： laboratory training room in colleges and universities； smart campus； information management