高等院校開放式學生創(chuàng)新實驗室的網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)設(shè)計

作者　曾慶杰 莫長江 許棠 梁啟文 龍世瑜 嶺南師范學院 信息科學與技術(shù)學院(廣東 湛江 524048)

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

1 開放實驗室的重要性

　　學生作為教學工作的主體，特別是在電子學科的教學實踐中，實踐與工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高對學生而言尤為重要^[1]。傳統(tǒng)的實驗教學存在著許多的不足之處，如過多的驗證性實驗，只能在預設(shè)的時間段內(nèi)進行等，雖然普及面廣，但不利于提高部分學有余力的學生進行創(chuàng)新性的實驗，抑制了這部分學生的創(chuàng)造力。因此，建立開放式學生創(chuàng)新實驗室，讓學生能在課余時間繼續(xù)進行實驗與科技制作，實現(xiàn)多方共贏。

2 網(wǎng)絡(luò)化開放實驗室的系統(tǒng)設(shè)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(jié)合^[2]，對電子學科開放實驗室學生遴選、考勤、工程實踐活動做全程監(jiān)控跟蹤。

　　2.1 推進網(wǎng)絡(luò)化開放實驗室的初衷

　　傳統(tǒng)的開放實驗室較常見的局面是提供一個集中的場所，給部分學生進行課外的學習研究，配備一個兼職的老師進行簡單的協(xié)調(diào)管理。這種情況下，會增大實驗室的管理難度，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(guī)范，也容易造成火災等險情。同時，也存在對于學生的跟蹤培養(yǎng)缺失的問題。一方面，學生的自主學習研究是主要的，另一方面，指導教師的介入不足，不能了解學生各方面的情況，針對性的工作無法得出對策^[3]。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)化開放實驗室的架構(gòu)與功能

　　為了解決以上的幾個突出問題，本文設(shè)計了一套網(wǎng)絡(luò)開放實驗室管理系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖。

　　由圖1可知，系統(tǒng)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(zhí)行層。WEB服務(wù)器層通過互聯(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(diào)器發(fā)送控制命令給每個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(zhí)行通斷電動作。

3 服務(wù)器層

　　邏輯上有WEB服務(wù)器、SQLSERVER^[6]數(shù)據(jù)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(shè)置在學校的中心機房中，建立SQLSERVER數(shù)據(jù)庫表，用于保存學生與教師的個人信息，而WEB服務(wù)器則利用Delphi+UniGUI技術(shù)開發(fā)，IIS發(fā)布。最后使用DataSnap^[8]技術(shù)，F(xiàn)ireDAC數(shù)據(jù)庫通信組件開發(fā)服務(wù)器中間件與安卓網(wǎng)關(guān)通信。

　　3.1 SQLSERVER數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用SQLSERVER數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過建立數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最主要有學生信息表1，座位使用登錄表2等。

　　系統(tǒng)通過建立包含上述兩個核心表與其它更多的關(guān)系表，編寫存儲過程，提供給DELPHI編寫的WEB程序調(diào)用。

　　3.2 Delphi+UniGUI開發(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，可簡單地按照傳統(tǒng)的桌面程序的思維去實現(xiàn)WEB網(wǎng)站的功能。Delphi結(jié)合UniGUI的特性，可開發(fā)出效率高、使用友好的開放實驗室WEB管理網(wǎng)站。

　　WEB服務(wù)器管理系統(tǒng)，功能包括：

　　(1) 后臺設(shè)置功能;

　　(2) 學生刷卡登錄查詢功能;

　　(3) 學生工程實踐材料上傳功能;

　　(4) 學生報名遴選進入開放實驗室功能。

　　這些功能通過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入訪問頁面，完成上述功能。其中學生登陸查詢界面截圖如圖2所示。

4 安卓網(wǎng)關(guān)中間層

　　圖1中的安卓嵌入式開發(fā)板有若干串口，用于連接RFID讀卡模塊與Zigbee協(xié)調(diào)器模塊。板上的安卓程序則使用Delphi 10 Seattle開發(fā)Android APP[10]，利用網(wǎng)絡(luò)連接WEB服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，獲取學生的信息后，當學生刷校園一卡通時，串口上傳數(shù)據(jù)到安卓開發(fā)板，可進行綁定操作，完成綁定后，通過串口發(fā)送某座位電源開電信號給Zigbee協(xié)調(diào)器，通過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，而斷電的過程類似。

　　4.1 安卓APP串口讀寫

　　Delphi 10 Seattle開發(fā)安卓串口，需要利用串口控件“Comport for Android”，執(zhí)行安裝后位于System頁，名為TAcomport^[11]，系統(tǒng)使用控件版本為1.7，安裝后如圖3所示。

　　對串口的操作，以寫名為rfidport(TAComport類)串口控件為例(用于讀寫RFID串口模塊)，BaudRate、Databits、Stopbits、DeviceName屬性對應串口波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、串口號，需與RFID模塊上的設(shè)置一致方能正常通訊。程序中寫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(shù)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”語句，可拆分bufin數(shù)組的具體內(nèi)容獲得卡信息。特別注意的是Read方法是阻塞型函數(shù)，如果不加定時控制，一旦串口設(shè)備沒有返回，程序?qū)⑼Ｖ惯\行，等待到有返回為止。因此，處理這種情況有兩種方法：用定時器控制或者使用多線程編程^[12]。

　　在程序部署到安卓開發(fā)板后，因為要調(diào)用開發(fā)板底層硬件串口，還面臨一個root權(quán)限問題，在系統(tǒng)中，調(diào)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、ttyS4兩個串口的讀寫權(quán)限，完成程序初始化啟動。

　　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開發(fā)板，其中一個串口與RFID模塊通訊，另一個串口與Zigbee協(xié)調(diào)器通訊，進行對特定實驗桌進行通電與斷電操作。除此之外，還具備客戶端設(shè)置實驗室功能，另外在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下，對實驗桌進行全體開電、全體斷電的功能。圖5為安卓開發(fā)板程序初始化后的主界面。

5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)

　　協(xié)調(diào)器在通電之后，會進行信道掃描，以便查找附近是否還有別的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。如果協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)在同一信道中有別的Zigbee網(wǎng)絡(luò)存在(以PAN ID為判斷依據(jù))，則改變自身PAN ID后重新進行掃描，組建新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的這一特性也注定了在一個網(wǎng)絡(luò)之中有且只有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)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)中起著非常關(guān)鍵的作用。Zigbee自組織、自修復、拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等無一不是通過路由來實現(xiàn)的。

　　終端節(jié)點是Zigbee實現(xiàn)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。它會定時同自己的父節(jié)點進行通信，詢問是否有發(fā)給自己的消息，這個過程被形象地成為“心跳”。

　　基于可靠聯(lián)網(wǎng)的考慮，不采用微功耗，因此沒有采用終端節(jié)點模塊，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(shè)置Zigbee協(xié)調(diào)器與路由器的PAN ID為同一個數(shù)，使得它們在同一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并針對Zigbee路由器安裝在不同的實驗桌上，對其地址進行相應的編碼，以區(qū)分不同的客戶端。

　　每個座位(桌號)都對應一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行層，即控制盒終端，由不同地址的Zigbee路由、交流接觸器、穩(wěn)壓電源等電路構(gòu)成，用于接收Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令，控制交流接觸器的通斷，達到刷卡開關(guān)對應座位電源的目的。Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用如下數(shù)據(jù)幀進行遠程 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(jié)點廣播，其余特指某一點。

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

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

　　圖7為核心控制板的原理圖設(shè)計。220 V市電從P1接口接入，經(jīng)過220 V轉(zhuǎn)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，接通或斷開外部交流接觸器的控制線圈，使系統(tǒng)正常工作。

6 結(jié)論

　　高等院校開放實驗室可通過該系統(tǒng)可進行學生登入和登出時間記錄，并衍生出了多項附加實用功能，如可進行學生網(wǎng)上報名^[14]，遴選進入開放實驗室的功能，做到無紙化辦公，資料保存完備。還可對學生的培養(yǎng)質(zhì)量過程進行監(jiān)控，獲得學生的階段性工程實踐成果。

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

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