高等院校开放式学生创新实验室的网络化管理系统设计

作者　曾庆杰 莫长江 许棠 梁启文 龙世瑜 岭南师范学院 信息科学与技术学院(广东 湛江 524048)

摘要：针对本学院开放实验室的人力管理上的不足，设计了网络化电源控制的开放实验室管理系统。该系统主要通过使用Delphi、UniGUI、SQLSERVER相关技术建立中心机房服务器，同时使用Delphi 10 Seattle开发开放实验室嵌入式安卓网关，实现和读卡模块与Zigbee网络的串口通信，从而控制每一个Zigbee终端的交流接触器动作，最终达到利用学生一卡通实现RFID考勤智能化管理与学生质量跟踪等功能。

1 开放实验室的重要性

　　学生作为教学工作的主体，特别是在电子学科的教学实践中，实践与工程创新能力的培养与提高对学生而言尤为重要^[1]。传统的实验教学存在着许多的不足之处，如过多的验证性实验，只能在预设的时间段内进行等，虽然普及面广，但不利于提高部分学有余力的学生进行创新性的实验，抑制了这部分学生的创造力。因此，建立开放式学生创新实验室，让学生能在课余时间继续进行实验与科技制作，实现多方共赢。

2 网络化开放实验室的系统设计

　　网络化主要是利用电子信息技术和网络技术的结合^[2]，对电子学科开放实验室学生遴选、考勤、工程实践活动做全程监控跟踪。

　　2.1 推进网络化开放实验室的初衷

　　传统的开放实验室较常见的局面是提供一个集中的场所，给部分学生进行课外的学习研究，配备一个兼职的老师进行简单的协调管理。这种情况下，会增大实验室的管理难度，并可能存在安全隐患。如果疏忽，容易造成仪器丢失或者用电不规范，也容易造成火灾等险情。同时，也存在对于学生的跟踪培养缺失的问题。一方面，学生的自主学习研究是主要的，另一方面，指导教师的介入不足，不能了解学生各方面的情况，针对性的工作无法得出对策^[3]。

　　2.2 网络化开放实验室的架构与功能

　　为了解决以上的几个突出问题，本文设计了一套网络开放实验室管理系统，图1为系统的框架结构图。

　　由图1可知，系统分三层：服务器层、安卓网关中间层和Zigbee网络^[4]执行层。WEB服务器层通过互联网与安卓网关交换信息^[5]，安卓网关层则由Zigbee网络协调器发送控制命令给每个座位上的终端控制盒(包含Zigbee路由器、核心控制板与交流接触器等主要部件)去执行通断电动作。

3 服务器层

　　逻辑上有WEB服务器、SQLSERVER^[6]数据库服务器和DataSnap^[7]服务器，但物理上同在一台PC上，该服务器设置在学校的中心机房中，建立SQLSERVER数据库表，用于保存学生与教师的个人信息，而WEB服务器则利用Delphi+UniGUI技术开发，IIS发布。最后使用DataSnap^[8]技术，FireDAC数据库通信组件开发服务器中间件与安卓网关通信。

　　3.1 SQLSERVER数据库数据结构

　　系统采用SQLSERVER数据库服务器，通过建立数据库与数据表实现系统功能。最主要有学生信息表1，座位使用登录表2等。

　　系统通过建立包含上述两个核心表与其它更多的关系表，编写存储过程，提供给DELPHI编写的WEB程序调用。

　　3.2 Delphi+UniGUI开发WEB服务器程序

　　Delphi是一款优秀的可视化编程工具，而UniGUI框架^[9]拓展了Delphi的使用范围，可简单地按照传统的桌面程序的思维去实现WEB网站的功能。Delphi结合UniGUI的特性，可开发出效率高、使用友好的开放实验室WEB管理网站。

　　WEB服务器管理系统，功能包括：

　　(1) 后台设置功能;

　　(2) 学生刷卡登录查询功能;

　　(3) 学生工程实践材料上传功能;

　　(4) 学生报名遴选进入开放实验室功能。

　　这些功能通过IIS提供服务，并且可由处于网络中的任何终端计算机进入访问页面，完成上述功能。其中学生登陆查询界面截图如图2所示。

4 安卓网关中间层

　　图1中的安卓嵌入式开发板有若干串口，用于连接RFID读卡模块与Zigbee协调器模块。板上的安卓程序则使用Delphi 10 Seattle开发Android APP[10]，利用网络连接WEB服务器与数据库服务器，获取学生的信息后，当学生刷校园一卡通时，串口上传数据到安卓开发板，可进行绑定操作，完成绑定后，通过串口发送某座位电源开电信号给Zigbee协调器，通过Zigbee网络把命令送到指定的桌号上的Zigbee路由器，完成对交流接触器的闭合操作，而断电的过程类似。

　　4.1 安卓APP串口读写

　　Delphi 10 Seattle开发安卓串口，需要利用串口控件“Comport for Android”，执行安装后位于System页，名为TAcomport^[11]，系统使用控件版本为1.7，安装后如图3所示。

　　对串口的操作，以写名为rfidport(TAComport类)串口控件为例(用于读写RFID串口模块)，BaudRate、Databits、Stopbits、DeviceName属性对应串口波特率、数据位、停止位、串口号，需与RFID模块上的设置一致方能正常通讯。程序中写串口的核心代码如下：

　　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;

　　数组bufOut中，$aa、$bb、$02、$20、$22为从RFID模块获取卡地址的命令帧，如果成功，将返回卡的32位物理地址，读取该返回使用“bufin:=rfidport.read”语句，可拆分bufin数组的具体内容获得卡信息。特别注意的是Read方法是阻塞型函数，如果不加定时控制，一旦串口设备没有返回，程序将停止运行，等待到有返回为止。因此，处理这种情况有两种方法：用定时器控制或者使用多线程编程^[12]。

　　在程序部署到安卓开发板后，因为要调用开发板底层硬件串口，还面临一个root权限问题，在系统中，调用“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;

　　从而取得ttyS3、ttyS4两个串口的读写权限，完成程序初始化启动。

　　4.2 安卓网关流程图

　　安卓网关流程图如图4所示。

　　安卓网关采用了带多串口的Android开发板，其中一个串口与RFID模块通讯，另一个串口与Zigbee协调器通讯，进行对特定实验桌进行通电与断电操作。除此之外，还具备客户端设置实验室功能，另外在网络不通的情况下，对实验桌进行全体开电、全体断电的功能。图5为安卓开发板程序初始化后的主界面。

5 Zigbee网络

　　协调器在通电之后，会进行信道扫描，以便查找附近是否还有别的Zigbee网络。如果协调器发现在同一信道中有别的Zigbee网络存在(以PAN ID为判断依据)，则改变自身PAN ID后重新进行扫描，组建新的Zigbee网络。协调器的这一特性也注定了在一个网络之中有且只有一个协调器，协调器在组建完成网络之后便和普通的路由器功能一致了。

　　而路由器在网络中起着非常关键的作用。Zigbee自组织、自修复、拓扑网络结构等无一不是通过路由来实现的。

　　终端节点是Zigbee实现低功耗，它的组网功能和路由是一样的。不同的是终端并不是时刻都处在接收状态的，大部分情况下，它都将处于IDLE或者低功耗休眠模式。它会定时同自己的父节点进行通信，询问是否有发给自己的消息，这个过程被形象地成为“心跳”。

　　基于可靠联网的考虑，不采用微功耗，因此没有采用终端节点模块，而是采用了有路由功能Zigbee路由模块，更有利于增强Zigbee自组网网络的鲁棒性。

　　设置Zigbee协调器与路由器的PAN ID为同一个数，使得它们在同一个Zigbee网络内，并针对Zigbee路由器安装在不同的实验桌上，对其地址进行相应的编码，以区分不同的客户端。

　　每个座位(桌号)都对应一个Zigbee网络执行层，即控制盒终端，由不同地址的Zigbee路由、交流接触器、稳压电源等电路构成，用于接收Zigbee协调器发来的命令，控制交流接触器的通断，达到刷卡开关对应座位电源的目的。Zigbee网络采用如下数据帧进行远程 I/O 控制协议^[13]如表3所示。

　　其中，目标地址为FFFF，表示所有节点广播，其余特指某一点。

　　例如：AA FF FF CC FC 00 00 EA 01 01 FE FE FB 表示将网络内所有设备的P0.1 口设置为高电平，电路图的连接设计如图6所示。

　　图6中，线路从KT2接线柱引入到核心控制板(Core Control Board)，核心控制板通过控制接触器(KM)的通断，选型为NCH8-20/20，并最终输出到KT1接线柱，完成对座位电源的控制。特别注意，核心控制板的控制线圈输出必须接一个电阻电容并联，用于灭弧，否则，实验过程中会产生核心控制板中Zigbee单片机的死机现象。

　　图7为核心控制板的原理图设计。220 V市电从P1接口接入，经过220 V转3.3 V的AC/DC模块后，供电给Zigbee路由器，并制定P1.0为输出引脚，接三极管控制中间继电器，接通或断开外部交流接触器的控制线圈，使系统正常工作。

6 结论

　　高等院校开放实验室可通过该系统可进行学生登入和登出时间记录，并衍生出了多项附加实用功能，如可进行学生网上报名^[14]，遴选进入开放实验室的功能，做到无纸化办公，资料保存完备。还可对学生的培养质量过程进行监控，获得学生的阶段性工程实践成果。

　　RFID，Android等网络技术应用日新月异，在各个方面都获得了大量的应用，而结合电子开放实验室，实现网络化电源控制管理，可大大提高学生的学习热情与教师的工作效率，作用比较明显^[15]。实践证明，既可把实验技术人员从繁杂的事务中解放出来，又可用有效的现代的方法掌控与管理并规范学生的行为等。可对进行系统的优化升级，惠及更多的实验室、更多的学生，最终达到培养有竞争力的学生的目的。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第6期第58页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。