高等院校開(kāi)放式學(xué)生創(chuàng )新實(shí)驗室的網(wǎng)絡(luò )化管理系統設計

作者　曾慶杰 莫長(cháng)江 許棠 梁?jiǎn)⑽?龍世瑜 嶺南師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(廣東 湛江 524048)

摘要：針對本學(xué)院開(kāi)放實(shí)驗室的人力管理上的不足，設計了網(wǎng)絡(luò )化電源控制的開(kāi)放實(shí)驗室管理系統。該系統主要通過(guò)使用Delphi、UniGUI、SQLSERVER相關(guān)技術(shù)建立中心機房服務(wù)器，同時(shí)使用Delphi 10 Seattle開(kāi)發(fā)開(kāi)放實(shí)驗室嵌入式安卓網(wǎng)關(guān)，實(shí)現和讀卡模塊與Zigbee網(wǎng)絡(luò )的串口通信，從而控制每一個(gè)Zigbee終端的交流接觸器動(dòng)作，最終達到利用學(xué)生一卡通實(shí)現RFID考勤智能化管理與學(xué)生質(zhì)量跟蹤等功能。

1 開(kāi)放實(shí)驗室的重要性

　　學(xué)生作為教學(xué)工作的主體，特別是在電子學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)踐與工程創(chuàng )新能力的培養與提高對學(xué)生而言尤為重要^[1]。傳統的實(shí)驗教學(xué)存在著(zhù)許多的不足之處，如過(guò)多的驗證性實(shí)驗，只能在預設的時(shí)間段內進(jìn)行等，雖然普及面廣，但不利于提高部分學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng )新性的實(shí)驗，抑制了這部分學(xué)生的創(chuàng )造力。因此，建立開(kāi)放式學(xué)生創(chuàng )新實(shí)驗室，讓學(xué)生能在課余時(shí)間繼續進(jìn)行實(shí)驗與科技制作，實(shí)現多方共贏(yíng)。

2 網(wǎng)絡(luò )化開(kāi)放實(shí)驗室的系統設計

　　網(wǎng)絡(luò )化主要是利用電子信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合^[2]，對電子學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗室學(xué)生遴選、考勤、工程實(shí)踐活動(dòng)做全程監控跟蹤。

　　2.1 推進(jìn)網(wǎng)絡(luò )化開(kāi)放實(shí)驗室的初衷

　　傳統的開(kāi)放實(shí)驗室較常見(jiàn)的局面是提供一個(gè)集中的場(chǎng)所，給部分學(xué)生進(jìn)行課外的學(xué)習研究，配備一個(gè)兼職的老師進(jìn)行簡(jiǎn)單的協(xié)調管理。這種情況下，會(huì )增大實(shí)驗室的管理難度，并可能存在安全隱患。如果疏忽，容易造成儀器丟失或者用電不規范，也容易造成火災等險情。同時(shí)，也存在對于學(xué)生的跟蹤培養缺失的問(wèn)題。一方面，學(xué)生的自主學(xué)習研究是主要的，另一方面，指導教師的介入不足，不能了解學(xué)生各方面的情況，針對性的工作無(wú)法得出對策^[3]。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )化開(kāi)放實(shí)驗室的架構與功能

　　為了解決以上的幾個(gè)突出問(wèn)題，本文設計了一套網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放實(shí)驗室管理系統，圖1為系統的框架結構圖。

　　由圖1可知，系統分三層：服務(wù)器層、安卓網(wǎng)關(guān)中間層和Zigbee網(wǎng)絡(luò )^[4]執行層。WEB服務(wù)器層通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與安卓網(wǎng)關(guān)交換信息^[5]，安卓網(wǎng)關(guān)層則由Zigbee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送控制命令給每個(gè)座位上的終端控制盒(包含Zigbee路由器、核心控制板與交流接觸器等主要部件)去執行通斷電動(dòng)作。

3 服務(wù)器層

　　邏輯上有WEB服務(wù)器、SQLSERVER^[6]數據庫服務(wù)器和DataSnap^[7]服務(wù)器，但物理上同在一臺PC上，該服務(wù)器設置在學(xué)校的中心機房中，建立SQLSERVER數據庫表，用于保存學(xué)生與教師的個(gè)人信息，而WEB服務(wù)器則利用Delphi+UniGUI技術(shù)開(kāi)發(fā)，IIS發(fā)布。最后使用DataSnap^[8]技術(shù)，FireDAC數據庫通信組件開(kāi)發(fā)服務(wù)器中間件與安卓網(wǎng)關(guān)通信。

　　3.1 SQLSERVER數據庫數據結構

　　系統采用SQLSERVER數據庫服務(wù)器，通過(guò)建立數據庫與數據表實(shí)現系統功能。最主要有學(xué)生信息表1，座位使用登錄表2等。

　　系統通過(guò)建立包含上述兩個(gè)核心表與其它更多的關(guān)系表，編寫(xiě)存儲過(guò)程，提供給DELPHI編寫(xiě)的WEB程序調用。

　　3.2 Delphi+UniGUI開(kāi)發(fā)WEB服務(wù)器程序

　　Delphi是一款優(yōu)秀的可視化編程工具，而UniGUI框架^[9]拓展了Delphi的使用范圍，可簡(jiǎn)單地按照傳統的桌面程序的思維去實(shí)現WEB網(wǎng)站的功能。Delphi結合UniGUI的特性，可開(kāi)發(fā)出效率高、使用友好的開(kāi)放實(shí)驗室WEB管理網(wǎng)站。

　　WEB服務(wù)器管理系統，功能包括：

　　(1) 后臺設置功能;

　　(2) 學(xué)生刷卡登錄查詢(xún)功能;

　　(3) 學(xué)生工程實(shí)踐材料上傳功能;

　　(4) 學(xué)生報名遴選進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗室功能。

　　這些功能通過(guò)IIS提供服務(wù)，并且可由處于網(wǎng)絡(luò )中的任何終端計算機進(jìn)入訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面，完成上述功能。其中學(xué)生登陸查詢(xún)界面截圖如圖2所示。

4 安卓網(wǎng)關(guān)中間層

　　圖1中的安卓嵌入式開(kāi)發(fā)板有若干串口，用于連接RFID讀卡模塊與Zigbee協(xié)調器模塊。板上的安卓程序則使用Delphi 10 Seattle開(kāi)發(fā)Android APP[10]，利用網(wǎng)絡(luò )連接WEB服務(wù)器與數據庫服務(wù)器，獲取學(xué)生的信息后，當學(xué)生刷校園一卡通時(shí)，串口上傳數據到安卓開(kāi)發(fā)板，可進(jìn)行綁定操作，完成綁定后，通過(guò)串口發(fā)送某座位電源開(kāi)電信號給Zigbee協(xié)調器，通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )把命令送到指定的桌號上的Zigbee路由器，完成對交流接觸器的閉合操作，而斷電的過(guò)程類(lèi)似。

　　4.1 安卓APP串口讀寫(xiě)

　　Delphi 10 Seattle開(kāi)發(fā)安卓串口，需要利用串口控件“Comport for Android”，執行安裝后位于System頁(yè)，名為T(mén)Acomport^[11]，系統使用控件版本為1.7，安裝后如圖3所示。

　　對串口的操作，以寫(xiě)名為rfidport(TAComport類(lèi))串口控件為例(用于讀寫(xiě)RFID串口模塊)，BaudRate、Databits、Stopbits、DeviceName屬性對應串口波特率、數據位、停止位、串口號，需與RFID模塊上的設置一致方能正常通訊。程序中寫(xiě)串口的核心代碼如下：

　　Var

　　bufOut:array of Byte;

　　Begin

　　setlength(bufOut,5);

　　bufout[0]:=$aa;bufout[1]:=$bb;bufout[2]:=$02;bufout[3]:=$20;bufout[4]:=$22;

　　rfidport.ClearInput;

　　rfidPort.write(bufout,length(bufout),true);

　　End;

　　數組bufOut中，$aa、$bb、$02、$20、$22為從RFID模塊獲取卡地址的命令幀，如果成功，將返回卡的32位物理地址，讀取該返回使用“bufin:=rfidport.read”語(yǔ)句，可拆分bufin數組的具體內容獲得卡信息。特別注意的是Read方法是阻塞型函數，如果不加定時(shí)控制，一旦串口設備沒(méi)有返回，程序將停止運行，等待到有返回為止。因此，處理這種情況有兩種方法：用定時(shí)器控制或者使用多線(xiàn)程編程^[12]。

　　在程序部署到安卓開(kāi)發(fā)板后，因為要調用開(kāi)發(fā)板底層硬件串口，還面臨一個(gè)root權限問(wèn)題，在系統中，調用“QAndroid.Shell”文件后，加入以下程序段：

　　Fshell.Initliaize;

　　if FShell.AskForRoot then

　　begin

　　FShell.Execute('chmod 777 /dev/ttyS3',5000);

　　FShell.Execute('chmod 777 /dev/ttyS4',5000);

　　end;

　　從而取得ttyS3、ttyS4兩個(gè)串口的讀寫(xiě)權限，完成程序初始化啟動(dòng)。

　　4.2 安卓網(wǎng)關(guān)流程圖

　　安卓網(wǎng)關(guān)流程圖如圖4所示。

　　安卓網(wǎng)關(guān)采用了帶多串口的Android開(kāi)發(fā)板，其中一個(gè)串口與RFID模塊通訊，另一個(gè)串口與Zigbee協(xié)調器通訊，進(jìn)行對特定實(shí)驗桌進(jìn)行通電與斷電操作。除此之外，還具備客戶(hù)端設置實(shí)驗室功能，另外在網(wǎng)絡(luò )不通的情況下，對實(shí)驗桌進(jìn)行全體開(kāi)電、全體斷電的功能。圖5為安卓開(kāi)發(fā)板程序初始化后的主界面。

5 Zigbee網(wǎng)絡(luò )

　　協(xié)調器在通電之后，會(huì )進(jìn)行信道掃描，以便查找附近是否還有別的Zigbee網(wǎng)絡(luò )。如果協(xié)調器發(fā)現在同一信道中有別的Zigbee網(wǎng)絡(luò )存在(以PAN ID為判斷依據)，則改變自身PAN ID后重新進(jìn)行掃描，組建新的Zigbee網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器的這一特性也注定了在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之中有且只有一個(gè)協(xié)調器，協(xié)調器在組建完成網(wǎng)絡(luò )之后便和普通的路由器功能一致了。

　　而路由器在網(wǎng)絡(luò )中起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。Zigbee自組織、自修復、拓撲網(wǎng)絡(luò )結構等無(wú)一不是通過(guò)路由來(lái)實(shí)現的。

　　終端節點(diǎn)是Zigbee實(shí)現低功耗，它的組網(wǎng)功能和路由是一樣的。不同的是終端并不是時(shí)刻都處在接收狀態(tài)的，大部分情況下，它都將處于IDLE或者低功耗休眠模式。它會(huì )定時(shí)同自己的父節點(diǎn)進(jìn)行通信，詢(xún)問(wèn)是否有發(fā)給自己的消息，這個(gè)過(guò)程被形象地成為“心跳”。

　　基于可靠聯(lián)網(wǎng)的考慮，不采用微功耗，因此沒(méi)有采用終端節點(diǎn)模塊，而是采用了有路由功能Zigbee路由模塊，更有利于增強Zigbee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的魯棒性。

　　設置Zigbee協(xié)調器與路由器的PAN ID為同一個(gè)數，使得它們在同一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )內，并針對Zigbee路由器安裝在不同的實(shí)驗桌上，對其地址進(jìn)行相應的編碼，以區分不同的客戶(hù)端。

　　每個(gè)座位(桌號)都對應一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )執行層，即控制盒終端，由不同地址的Zigbee路由、交流接觸器、穩壓電源等電路構成，用于接收Z(yǔ)igbee協(xié)調器發(fā)來(lái)的命令，控制交流接觸器的通斷，達到刷卡開(kāi)關(guān)對應座位電源的目的。Zigbee網(wǎng)絡(luò )采用如下數據幀進(jìn)行遠程 I/O 控制協(xié)議^[13]如表3所示。

　　其中，目標地址為FFFF，表示所有節點(diǎn)廣播，其余特指某一點(diǎn)。

　　例如：AA FF FF CC FC 00 00 EA 01 01 FE FE FB 表示將網(wǎng)絡(luò )內所有設備的P0.1 口設置為高電平，電路圖的連接設計如圖6所示。

　　圖6中，線(xiàn)路從KT2接線(xiàn)柱引入到核心控制板(Core Control Board)，核心控制板通過(guò)控制接觸器(KM)的通斷，選型為NCH8-20/20，并最終輸出到KT1接線(xiàn)柱，完成對座位電源的控制。特別注意，核心控制板的控制線(xiàn)圈輸出必須接一個(gè)電阻電容并聯(lián)，用于滅弧，否則，實(shí)驗過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生核心控制板中Zigbee單片機的死機現象。

　　圖7為核心控制板的原理圖設計。220 V市電從P1接口接入，經(jīng)過(guò)220 V轉3.3 V的AC/DC模塊后，供電給Zigbee路由器，并制定P1.0為輸出引腳，接三極管控制中間繼電器，接通或斷開(kāi)外部交流接觸器的控制線(xiàn)圈，使系統正常工作。

6 結論

　　高等院校開(kāi)放實(shí)驗室可通過(guò)該系統可進(jìn)行學(xué)生登入和登出時(shí)間記錄，并衍生出了多項附加實(shí)用功能，如可進(jìn)行學(xué)生網(wǎng)上報名^[14]，遴選進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗室的功能，做到無(wú)紙化辦公，資料保存完備。還可對學(xué)生的培養質(zhì)量過(guò)程進(jìn)行監控，獲得學(xué)生的階段性工程實(shí)踐成果。

　　RFID，Android等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用日新月異，在各個(gè)方面都獲得了大量的應用，而結合電子開(kāi)放實(shí)驗室，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化電源控制管理，可大大提高學(xué)生的學(xué)習熱情與教師的工作效率，作用比較明顯^[15]。實(shí)踐證明，既可把實(shí)驗技術(shù)人員從繁雜的事務(wù)中解放出來(lái)，又可用有效的現代的方法掌控與管理并規范學(xué)生的行為等?？蓪M(jìn)行系統的優(yōu)化升級，惠及更多的實(shí)驗室、更多的學(xué)生，最終達到培養有競爭力的學(xué)生的目的。

　　參考文獻：

　　[1]梁燁煒,劉彪杜玉豐.開(kāi)放實(shí)驗室資源促進(jìn)創(chuàng )新能力培養[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2013,30(11) :50-52.

　　[2]楊慶鳳,顧恒,辛玉紅.實(shí)驗室刷卡式常用儀器智能管理系統研究與設計[J].高校實(shí)驗室工作研究,2015(01):80-81.

　　[3]羅頻捷,溫荷.開(kāi)放實(shí)驗室管理信息系統的開(kāi)發(fā)與實(shí)現[J].實(shí)驗技術(shù)與管理, 2015,32(05):157-160.

　　[4]彭龑,何展,鐘文,等.基于ZigBee的實(shí)驗室安全監控系統[J].實(shí)驗室科學(xué),2015,18(01):68-71.

　　[5]土屋貴紀.無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)RFID在物聯(lián)網(wǎng)的應用[J].集成電路應用,2015(01):35-37.

　　[6]張福峰,劉振名.利用ADODB實(shí)現SQLSERVER數據庫訪(fǎng)問(wèn)[J].農業(yè)網(wǎng)絡(luò )信息.,2015(09):102-103.

　　[7]江帆.使用Datasnap技術(shù)開(kāi)發(fā)安卓系統應用程序[J].科技資訊,2013(8)22-22.

　　[8]Pawel Glowacki. Unleash the power of Delphi with Delphi Labs – DataSnap [EB/OL]. 2014. http://www.embarcadero.com/cn/rad-in-action/Delphi-labs

　　[9]Fmsoft. UniGUI Framework Online documentation [EB/OL]. 2015. http://www.unigui.com/resources/online-documentation

　　[10]Embarcadero. Mobile Code Snippets [EB/OL]. 2015. http://docwiki.embarcadero.com/RADStudio/XE5/en/Mobile_Code_Snippets

　　[11]Ing.Erik Salaj. Comport for Android Documentation [EB/OL]. 2015. http://www.winsoft.sk/acomport.htm.

　　[12]李若重. DELPHI中多線(xiàn)程研究[J].中國新通信.2013,15(04):35-35.

　　[13]卓萬(wàn)科技.低功耗Zigbee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )串口透傳解決方案 [EB/OL].2015-05-29.

　　[14]王軍,周亞?wèn)|.基于RFID技術(shù)的針對學(xué)生行為分析的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015,5(02): 69-70,73.

　　[15]徐曉燕,毛由冰,黃磊,等.開(kāi)放實(shí)驗室建設的思考[J].齊齊哈爾醫學(xué)院學(xué)報.,2015(03):412-413.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第58頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。