基于无线传感器网络的实验管理系统的设计

戴振华 梁小芝

(1.湖南科技学院 计算机系，湖南 永州425199；2.湖南科技学院 科技处，湖南 永州425199)

0 引言

实验是培养具有实践能力和创新意识学生的必要方式，是高校科研、教学的重要组成部分。因此，实验内容的设置、实验内容的安排、实验室的各项建设与管理、实验内容操作与学生实验后实验水平的考核、仪器设备的合理配备与仪器设备的高效利用等这些都严重影响高效的教学质量，尤其是实验教学质量，更甚至于会影响到学校的科研水平。随着国家不断提出要切实加强学生的实践水平，各个高效开始注意到实验教学的重要性，拿出大量经费建设实验室，实验设备更先进了。不过，各个高效注意到了实验设施不断增长的同时，还应加强实验教学的系统化管理。

随着高校扩招，学校在实验教学管理中往往会遇到一些问题：（1）由于学生数不断增加,而实验设备不能满足同时实验的要求，怎样安排实验使学生都能使用有限的实验室资源，将成为摆在高效管理者面前的一道难题；（2）由于高效经费有限，高效在实验室管理人员的配备上不足，而随着高效办学规模的不断扩大，实验室的设备配备都不断增加，如果还是人工管理，将加重实验管理员的工作；（3）为了加强学生的实践能力，培养动手能力强的学生，各个高效都加强了实验室的开放，这样实验室的管理就会出现很多新问题，如何更有效的管理就提出来显得尤为重要。

对于实验管理中出现的各种问题，各高校都提出了各种方案，都提出了多种实验管理系统的设计思路，并将其中的许多实现。有些学校在通过制定一些规章制度来管理实验室，比如，学生进行上机操作或进去实验室进行实验操作时采用人工登记、手动进行计算机信息的录入、刷卡登记等管理方法。但是很多高校对实验教学的管理不够重视，导致很多实验教学都是流于形式。在实验的教学管理上，各个高效都在积极思考，也采取了一定的措施，但这些都不能彻底的解决问题，基于无线传感器网络的实验管理系统很好的解决了这些问题。

1 非接触式卡技术与无线传感器网络技术

1.1非接触式卡技术

非接触式卡技术是一个多学科涉及的、多技术融合的系统。非接触式卡有多种分类，按接触卡作用距离可分为近藕合卡、密祸合卡、疏祸合卡和远距离卡，按接触卡载波频率的不同可分为低频、中频和高频射频卡，按接触卡供电方式的不同可分为有源卡和无源卡，按芯片不同来分为只读卡、读写卡等。

本实验管理网络系统所采用的卡又称射频卡，它是卡技术和射频识别技术的有机结合，它很好解决了免接触和无源卡中无电源问题。

1.2无线传感器网络的概念以及核心问题

无线传感器网络就是通过无线通信方式，将监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成一个多跳自组织网络，各个传感器监测自己的温度、压力、速度等等，再将数据传回进行处理，它具有易于布置、灵活、成本低等特性。这种网络集传感器技术、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信技术及现代网络技术等，是当前的研究热点。因此，这种网络应用范围越来越广泛，在网络领域受到了广泛的重视。

随着计算技术不断发展和应用，加之无线通信技术及移动通信技术的发展，基于位置的服务就变得越来越重要了。研究的重点也变成了确定其位置信息。

2 基于无线传感器网络实验管理系统设计

2.1高校实验教学子系统的总体设计

2.1.1高校实验教学子系统结构

根据系统的总体需求分析和系统实现的难易程度，采用多层模式结构来设计整个系统，系统可以实现对实验项目、实验大纲、实验课程的安排和实验成绩的输入和查询等的管理，任课教师还可以根据需要对实验项目和实验大纲的进行更新等功能。实验教学管理子系统结构如图1所示，由三层结构组成。

图1实验教学子系统结构

（1）用户层，它是用户与系统进行交互的界面，这里的用户包括学生、教师、实验员及管理员，用户可以根据自己的权限进行相关的操作，比如学生可以查询自己的实验课程安排、可以查询自己的实验考核成绩、可以预约自己的实验时间等。

（2）逻辑判断层，大部分的处理工作发生在该层，如数据的权限访问控制、数据的验证、数据的处理等，该层从数据层中提取数据进行分析判断，根据判断结果执行不同的操作。

（3）数据层，是指系统所涉及到的DBMS、OS、通信协议等，针对数据的有关操作都在该层进行，它是保证整个实验管理系统能够稳定运行的基础。

2.1.2教学子系统的各个部分功能描述

图2 实验教学子系统功能描述

教学子系统功能主要包括实验课程的安排、实验教师的安排、实验地点的安排、实验课程教学大纲的输入和查询、实验成绩的输入和查询、实验时间的预约、实验作业的布置和批改。

实验教学子系统有管理员、实验员、学生、教师四种身份，每种身份都有不同的操作权限，一般来说，管理员的权限最高，其他用户都能进行各自操作，而且有些操作只能是特定用户才能进行，管理员都无法操作，这样就可以防止高权限角色功能的滥用。

2.2实验室管理子系统的总体设计

2.2.1无线传感器网络拓扑形式

无线传感器网络的网络结构一般有星形、树形、图状三种网络拓扑形式。在这几种结构中，星形结构的网络比较简单，网络容易扩展，建设成本少，因此，本系统采用了星形拓扑网络结构来构建，即设置一个服务节点，收集无线网络中的各种数据信息，每个实验室安排一个读卡器，用来向服务节点传送相关数据。

2.2.2实验室管理子系统体系结构

实验室管理系统采用C/S（客户/服务器）体系结构，这种体系结构使系统很适合在局域网中应用，它能够快速的处理系统的数据信息，除此之外，该网络系统的安全性能也较好，由于采用该结构，在客户端中可以实现多种交互方式。不仅如此，采用该体系结构开发该实验管理系统，有着更完善的用户管理、用户共享特性，可以在一定程度上降低系统网络传输的压力。

该系统结构中，后台管理程序在服务器端运行。在启动服务器端程序后，系统就开始进入运行状态，各个客户端程序也进入运行状态，各个实验室就进入系统管理模式。

2.2.3实验室管理子系统功能模块

（1）实验室锁定

在系统中，数据库中的数据表有一个表项为空，即读卡器节点。该节点信息是在实验员在刷卡后，该信息通过网络传给服务器，然后服务器进行相关处理，将相关信息自己填入数据表的为空的表项中，这样一来，该实验室的信息就被锁定了，下次就必须是该实验员进入刷卡才能操作系统。

（2）相关人员注册管理

管理员首先录入进行实验的学生信息，然后，学生根据表项的内容进入补充，补充完后相关信息又存入数据库的表中，这样就完成了学生的注册工作。每届学生领取到校园一卡通或学生卡后，到专门设置的学生注册处进行注册。

（3）系统刷卡管理

该部分是对学生刷卡信息进行甄别处理，然后将处理过的数据存入系统数据库中。对刷卡信息的处理分为两种，一种是人工处理，一种是系统处理。人工处理能针对根据需求进行一对一的处理，但是这样处理的时间要求多，不利于提高处理的效率。而如果通过系统处理，处理的速度较快，并且处理时自动进行的，用户不必关心处理的过程，但是处理没有针对性，灵活性较差。

3 基于无线传感器网络实验管理系统主要功能实现

3.1系统数据库设计

系统的相关信息都存在数据库中，因此，如何设计数据库是系统设计的核心，而且数据的安排要有利于用户的数据操作。在系统数据库的设计过程中，还应考虑不同用户都数据的不同操作，这样，数据库设计力求逻辑关系简单，但是系统设计应在完成系统功能的前提下。

3.2实验教学管理子系统主要功能实现

实验教学子系统有不同用户使用，它是对实验教学过程的自动化管理的模块。在系统实现过程中，为了能过使程序员更容易书写程序代码，在系统的设计中，专门设计一个类，起到连接的作用，通过向该类可以方便地实现数据库中数据的查询操作、更新操作、删除操作。

实验管理系统用户都可以查询系统中的一般信息，比如实验课程的安排情况、学生实验的情况。但是，一般来说，每个用户都有自己的权限操作，比如，实验员可以根据教师和学生的实际情况进行实验课程安排，学生可以查看实验考核成绩，教师通过系统批改学生的实验报告。在系统每种用户能进行不同的操作，为了不同用户都能进行安全的数据操作，就必须对访问者的身份进行验证和区分，这些身份信息都存在数据库表中。

3.3实验室管理子系统主要功能实现和优点

利用无线传感器网络，各个实验室节点的数据通过网络传送给中心服务点，然后中心节点再通过转换器将接收过来的信息转换为服务器能过识别的数据，服务器经过数据分析后，得到对用户有用的数据信息。

利用无线传感器网络，降低了建设成本。在实验管理系统的建设中，有些学校通过建设有线局域网来进行管理，但是这样会要求增加很多硬件设备，这样就增加了建设成本。而采用无线网络建设该系统，只需要设置一些节点和服务器，不需要布线，这样就可以降低建设的硬件成本。

其次，通过无线网络建设的管理系统，网络的日常维护就变得比较容易了。通常情况下，通过有线网络建设的管理系统，如果某个实验室出现了问题，要查出问题所在非常麻烦，尤其是一旦网络传输线路出现问题，非常难于修复，即使可以修复系统，那样也将付出较大的代价。而采用无线网络，传输数据是通过无线方式进行的，如果系统出问题，基本上不要考虑是网络传输的问题，排除了这个问题后，其它问题就变得很好解决了。

再者，采用无线网络建立的管理系统，今后网络就容易扩展，增加一个网络节点变得非常容易，实际只需要增加一台读卡器，做简单的设置就可以将这个节点连到系统中。而如果采用有线网络构建的系统则不容易扩容，而且会增加相当多的建设成本。

4 结 论

在现在高校的实验教学管理的形式下，用人工管理已经不能适应发展的需要了，也不利于提高管理的效率。在本文的系统中，教学管理子系统主要实现了实验员对实验课程的安排，管理员可以通过该系统进行课程教学大纲的输入，教师通过该系统可以输入实验教学计划，学生通过该系统可以查询自己的实验课程安排情况，可以在实验过程中完成实验作业及查看教师对作业的批改情况，实验考核完成后还可以通过系统查询自己的成绩信息。这样一来，教师的工作变得更轻松，效率更高，实验员也从繁琐的工作中解放出来，学生也可以在实验的过程中有重点地学习相关知识点，学完后还可以马上测试自己的实验效果。

而在实验室的管理上，大部分高校都是基于有线网络的管理模式，即通过网线等网络连接设备将各个实验室连接起来，再通过一个管理系统将各个部分连接起来。利用学生卡，构建基于无线传感器网络的实验室管理子系统，是实验室管理的一个趋势，这样代替传统的有线网络，降低了系统建设成本，而且网络是星形拓扑结构网络，易于维护和扩展，因此，可以预见基于无线传感器网络的实验管理系统将是今后实验管理的一个趋势。

[1]夏有为.改革实验室管理体制适应新世纪的需要[J].实验室研究与探索,1998,(5)：11-18.

[2]孙利民等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社,2005.

[3]胡必武,蔡海滨.基于无线传感器网络的目标检测与跟踪系统研究[J].计算机工程与设计,2006,(9)：33-42.

[4]张磊.基于无线传感器网络的实验管理系统的设计与实现[D].郑州：郑州大学,2010.