高校开放实验室综合管理系统的设计
日期：2010-7-1 23:06:00 点击：
来源：中国工控网
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摘 要：综合利用射频识别技术、视频监控技术、单片机技术、数据库技术、WEB 技术,建成高校实验室自动开放和管理系统,介绍了系统的总体组成和功能,并基本实现了高校开放实验室对实验活动无人管理的要求。
关键词：开放实验室;视频捕捉; IC 卡;单片机
高校实验室是进行教学和科研的重要场所。目前传统的实验室管理机制与方法存在资源浪费和管理僵化的现象,具有很强的封闭性与限制性。学生只能按照教学计划时间进入,除此以外学生是不能进入实验室的,耗费大量资金建设起来的实验室不能得到充分的利用。因此,实验室的管理走向开放化已成为高校面临的一项十分紧迫而重要的任务。首先,必须改变现行人工管理的传统方式,建立现代化、规范化的管理模式,以提高工作效率;其次,建立宽松的使用环境,提高学生的学习兴趣和实际操作的主动性。高校实验室的开放管理已势在必行。
一、开放实验室管理系统的现状
开放实验室管理系统目前在国内已有部分应用,它们大致可以分为以下几类:
(1) 实验室日常事务管理型。此类系统的功能大部分集中在实验室的日常事务管理上,这类系统已有较完善的产品,如“Labman2003”,它们的应用能够使实验室实现信息化;此外还有一些系统也能实现基于Web 的网络管理。这类系统对实验室完成了静态的管理,但没有完成对开放实验室的实验活动过程的动态管理。
(2) 机房管理型。还有一些开放实验管理系统,其管理对象主要是机房的计算机,它们充分利用了计算机与网络的功能,通过驻留在每台电脑中的管理程序,实时监视和控制客户端电脑的遥控上机、下机、关机、热启动、锁定终端、发消息等活动。同时它们还具有较完善的信息管理功能,能完成对学生上机的计费、生成统计报表、甚至进行排课管理。这类系统功能较为完善,但管理对象仅限于计算机机房,不利于系统的推广应用。
二、本系统设计思想
开放实验室的管理不应该只针对人和实验设备,而更应该把实验活动管理起来,这样才能更好地满足实验室开放的要求。因此,开放实验室管理系统除了一般信息管理系统的基本功能以外,还必须具备门禁系统、监控系统以及实验设备控制系统的功能。其中门禁系统负责对进出实验室的人员进行身份合法性的识别以及进出情况的记录;监控系统负责对实验室的活动情况进行监控录像;实验设备控制系统负责为使用者提供指定的实验设备。所有这些系统整合在一起,就构成了全新的高校开放实验室综合管理系统。
三、门禁系统的设计与实现
可用于身份识别的方法主要有两大类,一类是利用生物识别技术,如指纹识别技术、虹膜识别技术以及肖像识别技术,这类方法目前由于各方面原因还没有得到广泛应用;另一类是基于射频识别技术的IC 卡加密码的方式,这类方法简单可靠,应用面广。现有门禁系统因其价格原因及其系统的封闭性,不能很好地整合在开放实验室管理系统中,因此设计了以PC 机为核心的门禁系统。
当用户进入实验室时,先到读卡器处刷卡,由读卡器将IC 卡卡号与密码读出,并由RS485 串行总线送入室内的PC 机。PC 机中的数据库系统获取卡号后完成身份识别、开门和接通设备电源等动作,并根据需要启动监控摄像机拍照或录像。所有这些工作都记入数据库,供事后查询。读卡器可以自己开发,也可以使用现有带完整通信协议的产品,如本系统中采用的WM - 02ZA 读卡器。在多种程序语言中都可以使用MSCOMM 控件来与它完成串行通信 。由于RS485 总线采取的是主从工作方式,不支持竞争,因此在程序中应安排一个定时器,每隔1～3s 利用MSCOMM 控件发出一次对读卡器的读操作。如是无效数据则直接丢弃,如取出有效数据就将时间与卡号存入数据库。同时可进行身份识别,如合法则由设备控制系统发出开锁信号,把门打开。出于安全考虑,电控锁应采用上电开门型,同时应为其配备后备电源。
四、视频监控系统的设计与实现
视频监控系统一方面可以在学生进入实验室时对其进行录像,另一方面还可以根据管理员的要求对整个实验活动进行录像。
同样,为了满足系统的整合要求,也没有采用现成的DVR ( 硬盘录像系统) , 而是采用了天敏SDK2000 视频捕捉卡。SDK2000 具有高品质的视频采集性能, 具有高速PCI 总线, 兼容即插即用(PNP) ,支持一机多卡,提供功能全面的二次开发包(以下简称SDK) 。可以选择VisualBasic 、Visual C 、Delphi 等多种编程语言通过SDK进行开发,SDK中包含DLL 动态库(VC 使用) ,OCX控件(VB ,Delphi使用) 及其详细说明。可通过SDK控制图像的输入端口、图像亮度、对比度、色度、灰度等输入信号,动态截取图像,以AVI 格式进行录像,侦测图像是否有移动目标等等。使用SDK进行二次开发比直接利用VFW或DIRECT SHOW进行开发方便高效,只要直接调函数或使用它提供的ActiveX 控件即可。由于篇幅限制,这里没有提供参考代码。
五、实验设备控制系统设计与实现
考虑到实验设备的多样性,并且绝大多数实验设备在设计时并没有考虑到实验室的开放问题,所以只能通过对电源的控制来实现对实验设备的控制。这样,实验设备控制系统就变成了一个简单的开关量控制系统。实现这种控制主要有两种方法:PLC控制与单片机控制。使用PLC 来控制,其可靠性比单片机控制要高且方便,但成本较高。本系统采用单片机来控制设备的电源,实验证明,其可靠性也能完全达到要求。
图1 设备控制系统框图
具体实现方案如下:当PC 机接收到读卡器的读卡信号后,PC 机通过串行口向单片机发出设备控制指令,单片机得到指令后,通过扩展口向电源驱动模块发出控制信号,从而控制实验设备的电源,同时它还负责对门锁的控制。这只是一个简单的开关量输出的单片机系统,只需要在单片机最小系统的基础上扩展开关量输出点和串行通信接口即可。另外,为了防止由于上位PC 机故障造成不能接通设备电源,影响实验的正常开展,还设计了手动工作模式,通过按钮来控制设备电源。该设备控制系统框图见图1。
为保证安全,尽管读卡器自带有一些输出口,但也不应让暴露在室外的读卡器直接控制电控锁,而应让处于室内的设备电源控制系统来控制电控锁,从而避免读卡器被恶意攻击。
六、结束语
本系统综合运用现有的先进成熟技术,把所产生的数据信息集成在主机的数据库中进行统一控制和管理。这种多种技术的集成整合使用,使得整个系统趋于完善,集监视和控制于一体,既管理人又管理设备,更加符合开放实验室的实际需要。在此基础上,还可以数据库为基础,采用WEB 技术建立起基于校园网的远程管理。
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