摘 要：高校實驗室信息管理應用系統提供了請假管理、共享文件管理、室內溫濕度顯示、燈光控制器、空調控制、風扇控制、攝像頭監控、課堂記錄、桌面電源控制功能，可以對學生儀器使用情況進行記錄，將使用記錄存儲到數據庫端，記錄數據具有可追溯性，與傳統的數據存儲方式相比，信息化管理系統的數據更加可靠和安全，有利于快速對實驗室信息查詢，統籌協調實驗儀器設備的使用，提高設備的利用率，達到實驗室日常管理的網絡化、規范化、高效化。

　　關鍵詞：高校實驗室;信息管理系統;利用率

　　1 引言(Introduction)

　　現今大多數高校的實驗室管理中，實驗室設備信息是依靠手工建立大量的臺賬、卡片的方式來進行管理的，儀器儀表檔案的查詢往往耗費大量時間，如果設備狀態發生變化，如借出、歸還、丟失、損壞、閑置時，都需要登記相應卡片，造成管理手續復雜，實驗設備的信息、學生實驗信息以及課程信息等不能有機地結合，各種收集和管理都是獨立分散地進行，致使各個實驗室之間、老師和實驗室之間缺乏聯系，對于承擔大量實驗教學任務的實驗室而言，存在管理工作量大，信息數據多的情況，因此，傳統的實驗室管理方式，造成了實驗信息管理效率低、實驗設備利用率低、預約實驗比較煩瑣及工作效率低等問題，在實驗室的數據統計方面存在很大的缺陷，進而制約實驗室的總結評估工作[1]。

　　隨著互聯網技術和信息化技術的發展，在高校實驗室的日常管理中，通過數字網絡化管理，是充分利用實驗室資源，提高實驗室的使用效率的一個有效地管理方法。從而，依據“互聯網+”技術，設計一個高校實驗室信息管理應用系統，引入信息化手段為實驗室的管理服務，建設“互聯網+”背景下高校實驗室管理系統具有現實應用的意義，信息化管理是實現實驗室管理科學化、規范化、現代化，高效性、方便性、準確性、安全性的最有效途徑。

　　2 系統設計方案(System design scheme)

　　本系統能夠實現在網絡WEB端對實驗室的信息數據進行在線匯總，對常用的儀器儀表設備的使用情況進行管理，管理員通過系統界面對實驗室器材和室內照明燈具以及空調等設備進行控制以及通過實驗室內的網絡監控攝像頭對實驗室進行實時的安全監視，學生通過刷卡激活實驗器材電源并返回實驗器材情況。系統主要功能特點如下：

　　(1)系統通過煙霧等多個不同功能傳感器采集實驗室環境狀況數值并顯示;

　　(2)在WEB端查看設備使用情況，可以保存和更新設備的狀態信息;

　　(3)學生只需要刷卡即可完成一系列信息登記;

　　(4)可以對單個設備電源遠程控制，也可以同時對所有設備電源進行控制;

　　(5)控制監控攝像頭，能夠遠程實時監控實驗室狀況;

　　(6)師生可以在線上傳實驗數據、查看實驗項目、精品共享課程內容。

　　本系統整體框架系統，如圖1所示。

　　3 系統主要硬件設計(Hardware design of the system)

　　硬件系統主要由STM32F103主控芯片、電源控制模塊、RFID-RC522、ESP8266、繼電器、傳感器、顯示模塊組成，電源控制模塊是通過RFID-RC522非接觸式卡感應是否有卡刷入，刷卡后該系統連接至學校數據庫系統，并記錄該學生使用儀器設備記錄，成功刷入卡后，指示燈由紅變綠，插排即可通電，服務器在電腦終端顯示，終端連著路由器，路由器作為熱點，每個刷卡設備都有一個ESP8266連入路由器設備，作為從設備。

　　教師服務器終端擁有控制整個實驗室的權限，可以控制該實驗室的插排電源、風扇、燈光、空調等設備，ESP8266WIFI模塊通過串口將STM32F103獲取的數據發送至WEB平臺，硬件設計結構圖，如圖2所示。

　　3.1 STM32F103主控芯片

　　STM32F103芯片，集成包含了晶振時鐘、復位電路、數字和模擬間的去耦電路、調試接口、串行通信接口等電路，可以進行高速運算，能夠與傳感器模塊進行實時通訊并采集數據，WIFI模塊通過串口與STM32F103通信，通過路由器把數據傳輸到系統服務器端，師生通過PC機或者手機登錄網頁WEB端，進行控制、查詢，從而實現對實驗室本地與遠程功能控制操作[2]。

　　3.2 環境監測與調節

　　系統通過安裝在實驗室的多個不同的傳感器，采集實驗室內的溫濕、煙霧、光照的強度等數值，通過無線網絡發送到WEB端，若溫濕度超過設定值，可自動開啟通風系統(或空調)，降低實驗室溫濕度值，保證實驗儀器設備安全的存放。

　　環境監測部分使用了DHT11溫濕度采集模塊，模塊采集到的數據會回傳到STM32F103中，并通過判斷溫度數據是否高于設定值來決定是否啟動通風系統，同時，溫度數據每隔一定時間通過TCP方式傳送至WEB端。

　　3.3 指紋門禁

　　通過驗證進入實驗室人員的指紋進行門禁，保障實驗室的安全，在指紋門禁系統中，使用FM10A指紋模塊，錄入管理員指紋，如果在管理員對實驗室管理期間有變動，門禁系統也可以通過系統清除管理員的指紋，在門禁系統啟動使用期間，STM32F103主控芯片處于循環發送搜索指紋命令，當指紋模塊FM10A匹配到相同的指紋，就會返回一個信息給STM32F103來驅動電機，實現開門，從而實現門禁作用。

　　3.4 防盜入侵報警

　　防盜系統由紅外報警組成。實驗室窗戶裝有紅外監測模塊，當檢測到非法入侵，則進行報警，紅外報警部分，采用的是是反射式紅外傳感器，它可以測量1M的距離，且功耗極低。當有障礙物在紅外發射器的直線上經過，紅外線會從障礙物反射回接收器，紅外報警模塊就會返回電平信息給主控STM32F103芯片，通過判斷I/O返回的高低電平信息來決定是否啟動語音報警模塊進行報警，并通過GSM模塊給實驗室管理人員的手機發送信息來提醒報警[3]。

　　ESP8266擁有完整的且成體系的Wi-Fi網絡功能，既能夠獨立應用，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。當ESP8266獨立應用時，能夠直接從外接flash中啟動，通過UART串口與主控芯片STM32F103連接，以TCP協議傳輸數據到服務器端，ESP8266建立TCP連接流程，如圖3所示。

　　3.5 桌面電源控制功能

　　桌面電源主要功能是通過RFID打卡使用儀器，將學生的儀器使用記錄同步到數據庫中保持，替代以往的紙質記錄的方法，除了打卡操作外，教師還可以單獨在WEB端對桌面電源的開關進行控制和鎖定操作，當觸發鎖定后，桌面電源將保持原來的狀態，打卡沒有效果。

　　3.6 網絡監控

　　實驗室網絡實時視頻監控，使用的是一個USB監控攝像頭和一個TPLINK WR703N無線路由器，攝像頭通過路由器上的USB接口進行連接，無線路由器刷入OPENWRT系統，系統服務器通過訪問相應的端口即可獲取實時畫面并可以控制攝像頭角度轉動，實現全方位監控。

　　3.7 供電電源

　　硬件系統功能電源模塊采用220V交流電降壓至5V為整個系統提供電源，該電路由開關電源和輸出電路兩部分組成，電源電路設計，如圖4所示。

　　當接通電源后，220V交流通過D1整流，C14濾波，通過電阻R10給三極管Q2提供基極啟動電流，使Q2開始導通，其集電極電流線性增長，在L2中感應出使Q2基極為正、發射極為負的正反饋電壓，通過C15和R6，送到Q2基極，使Q2迅速飽和。與此同時，感應電動勢給電容C15充電，隨著C15充電電壓升高，Q2基極電位逐漸下降，IC開始減小，在L2中感應出使Q2基極為負，發射極為正的電壓，使Q2迅速截止，完成一個振蕩周期，在Q2截止期間，在L3繞組感應出一個5V左右的交流電壓。此后，C15逐漸放電，Q2基極電壓逐漸升高，從而開始第二個周期，不斷循環。L3輸出電壓經D3整流、C17濾波后通過USB座給負載供電。LED1和R9組成輸出指示電路。

　　DZ、817、Q1等組成取樣比較電路，檢查輸出電壓的高低。當負載變輕或電源電壓升高等原因導致輸出電壓升高時，DZ擊穿，817中發光二極管電流增大，817中光敏三極管電流增大。L2反饋繞組中的感應電壓經817中的光敏三極管到Q1基極，Q1基極電流增大，集電極電流增大，Q2基極電流減小，集電極電流減小，負載能力變小，從而導致輸出電壓降低。當輸出電壓降低后，Q1取樣后又會截止，Q2的負載能力變強，輸出電壓升高，這樣起到自動穩壓作用。D2為L2繞組輸出電壓整流二極管，C16為濾波電容。

　　推薦閱讀：《軟件和集成電路》(月刊)創刊于1984年，郵發代碼：82-469。由中國電子信息產業發展研究院、北京中電報發展有限公司主辦的計算機科學技術刊物。