高校实验室电子元器件智慧管理系统设计与实现

2018-03-01池晓宇彭泽顺沙毅张立立

科技视界 2018年36期

池晓宇　彭泽顺　沙毅　张立立

【摘要】随着计算机技术和Internet的发展，计算机辅助管理越来越成为今后教育改革的趋势。借鉴当前先进的计算机技术，改革落后的实验元器件管理手段，利用科学的方法对元器件进行管理，就此目的开发了一套实验室智慧管理系统，能够有效的对各类元器件进行分类管理并可通过此系统对元器件位置进行快速检索。实验室智慧管理系统采用前后端分离部署的办法，搭建响应式页面和动态网页，兼顾移动端和电脑端的使用。能够实现对元器件的智能化管理，有效缩短了找寻元器件所花费的时间，提高了学生的实验效率及元器件的利用率，进而提高了实验室使用效益。

【关键词】实验室；数据库；元器件；管理系统

中图分类号：TP 393 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0055-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.023

Design and Implementation of Intelligent Management System for Electronic Components in University Laboratories

CHI Xiao-yu PENG Ze-shun SHA Yi ZHANG Li-li

（National Computer Experimental Teaching Demonstration Center，College of computer science and engineering， Northeastern University， Shenyang Liaoning 110819， China）

【Abstract】With the development of computer technology and the Internet， computer-aided management has become a trend of education reform in the future. Drawing on the current advanced computer technology， reforming backward experimental component management methods， and using scientific methods to manage components， a laboratory intelligent management system has been developed for this purpose， which can effectively classify various components and manage them. This system allows quick retrieval of component locations. The laboratory wisdom management system adopts the separation of front and rear ends to build a responsive page and a dynamic web page， taking into account the use of mobile and computer. It can realize the intelligent management of components， effectively shorten the time spent searching for components， improve the efficiency of students experiments and the utilization of components， and thus improve the efficiency of laboratory use.

【Key words】Laboratory； Database； Components； Management system

隨着实验室的全面开放，越来越多学生想要进入实验室完成一些自主设计实验，这些要做实物的同学要到实验储物柜里取要用的元器件，可是这样非常容易造成很混乱的局面，各种元器件混在一起，让人眼花缭乱，况且近年来，随着我国高等教育的快速发展，随着高校学科建设[1]、科学研究工作的快速提高、学校管理变革的推进、仪器设备日益增多，高校的设备资产在数量和质量上都得到了快速增长和提高，在实验中为学生提供的电子元件和电子设备也日益增多，但元件设备复杂且不方便统一管理，由学生人工搜索某些元件设备耗费时间过长，极大的降低了实验效率，同时传统的元器件和设备的存取方式存在诸多类似于过量使用，使用后不归位等问题[2]。使用效益、经济效益和管理机制问题迫在眉睫，亟需一种高效便捷的实验室元器件存取系统为其提供保障。同时，实验室元器件存取系统包括了实名登录→输入元器件和设备名称→查询元器件数量及所在位置等过程流程，可快速查询并取出元器件，既提高了存取效率又保障了元器件的充分且合理使用。

1 系统总体设计

1.1 概述

计算机国家级实验教学示范中心[3]在实验室元器件管理方面做了大量工作，各类元器件作为实验课所必须使用的一部分贯穿了整个实验课过程，现有的实验室元器件管理体系经过考察发现仍存在许多不足之处：

（1）现有的元器件管理系统由于未进行实名制管

理，所以存在元器件过度取用的情况，存在浪费现象。

（2）现有的存储方式主要使用实体柜对元器件进行简单分类存放，由于没有计算机辅助所以使得元器件所在位置以及元器件剩余数量均不能在第一时间被同学知晓，是的同学们找寻元件消耗时间过长。

（3）由于没有回收监督系统使得使用完毕的以及未经使用的元器件不能被及时的回收或者再利用，堆放在实验室内造成了实验室杂乱的现象[4]。

鉴于以上存在的问题，计算机示范中心力争在实验元器件智慧管理方面进行改革改善，具体设计方法如下。

实验室电子元器件智慧管理系统整体分为前后端服务器及硬件系统共三个部分，其中软件部分采用了前后端分离部署的办法，前端服务器负责页面生成及与用户之间的交互，将交互生成的数据通过调用后端API接口转发给后端。服务器采用浏览器/服务器结构，是对客户机/服务器结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面完全通过浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3-tier结构，而且该结构不需要Cookie/Session，与Server完全分离，易于维护、扩展。后端服务器负责业务逻辑，权限控制及提供前端及硬件系统所需要的数据。硬件系统负责上传射频识别等传感器经过滤所收集到数据及执行后端服务器传入的指令。优点在于各个前端可以共用一套后端接口，简化开发流程，减少资源浪费，一个Server API[5]可以随意服务多个Web App开发上与后台几乎同步，互相不影响，特别是基于RESTFul API风格，更是减少了沟通的成本前后完全分离，前端开发者完全不需要关心服务端用了什么技术，只需要一份接口说明文档即可。

1.2 模型设定

1.2.1 前端模型

前端采用Web服务器[6]软件Apache及基于PHP语言的开源框架ThinkPHP。Apache是Apache软件基金会的一个开放源码的网页服务器，可以在大多数计算机操作系统中运行，由于其多平台和安全性被广泛使用，是最流行的Web服务器端软件之一。前端网页使用HTML，CSS以及JavaScript作为编程语言，采用JavaScript框架JQuery以及前端开发工具包Bootstrap进行开发。

1.2.2 后端模型

后端采用C++应用程序开发框架QT进行开发[7]。它可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。QT是面向对象的框架并且允许真正地组件编程。该模型向外采用HTTP协议及Socket接口，采用JSON进行数据交换；向内分为三个部分，即通信部分、管理控制部分与数据存储部分。

1.2.3 硬件模型

硬件采用以stm32开发板[8]为中心，使用ESP8266网络通信模块作为通信单元，以HTTP作为与数据处理服务器的通讯方式，RC522芯片作为射频识别芯片进行RFID感应。分为通信部分、逻辑控制部分、管理部分进行构建。硬件系统结构图如图1所示。

2 系统模块实现及功能

2.1 前端服务器设计

前端服务器即网页服务器分为两部分进行实现，其中前端网页采用了HTML、CSS以及Javascript语言进行编写，后端采用PHP语言的开源框架ThinkPHP，主要用于与用户以及后端服务器进行交互。其中后端程序主要功能包括：元件取用部分以及元件管理功能，借还功能以及用户管理功能，实现了对于元器件的借还管理以及用户实名制信息管理等功能，前端网页部分主要包括用户登录注销、元器件位置智能检索等功能

2.2 后端服务器设计

数据处理服务器采用基于C++语言的跨平台开发框架QT进行编写，向外采用Http協议及Socket接口进行通信连接，采用JSON进行数据交换；向内分为三个部分，即通信部分、管理控制部分与数据存储部分。通信部分采用HTTP请求作为作为QT服务器与HTTP服务器的通信方式，采用TCP SOCKET请求作为QT服务器与客户端服务器的通信方式。在后端服服务器中嵌入了用户管理模块以及物品管理模块两部分，实现对用户和物品的实时信息管理。并且使用数据库进行相关信息的记录。后端服务器程序结构如图2所示。

2.3 硬件部分设计

以STM32单片机为主体，ESP8266芯片为通信模块，RC522模块为RFID读写模块。STM32控制电子锁与用户交互，通过通信模块与服务器进行Socket通信。RFID模块近场读取器件识别号，也由通信模块向服务器传输数据。服务器进行数据分析并通过指令的下发进而实现柜门打开。ESP8266芯片采用LUA脚本进行编程，使用I2C协议与STM32单片机及RC522模块通信；STM32单片机采用C语言编程，采用中断函数及看门狗保证单片机的效率和稳定性。

3 系统软件调试

测试使用LoadRunner和Postman在阿里云服务器ECS环境[9]进行测试。

LoadRunner是一种预测系统行为和性能的负载测试工具。通过以模拟上千万用户实施并发负载及实时性能监测的方式来确认和查找问题，最大限度地缩短测试时间，优化性能和加速应用系统的发布周期。

项目使用LoadRunner模拟上线运行时服务器的负载。将项目部署到阿里云进行运行，以下为LoadRunner 模拟同一实验室所有电脑（约50台）同时访问时服务器压力测试结果如表1所示，发包率及收包率对比如图3所示。通过表格可以看出平均事务响应时间的详细信息，在整个事务中，93%的用户在进行操作时，服务器相应时间均维持在2.5秒左右。其中服务器网络带宽平均1.07Mbit/s，CPU平均占用60%，响应速度可以满足项目需求。

Postman是一款功能强大的网页调试和API开发测试的工具。其能够发送任何类型的HTTP请求，附带任何数量的参数和请求头。支持多种认证机制并拥有强大的跨平台特性。

项目使用Postman进行单独API接口的性能测试及正确性测试，图4为对部分通用API接口的测试结果。

4 结束语

本文基于实验教学示范中心建设应以培养学生实践能力、创新能力和提高教学质量为宗旨，以实验元器件管理机制改革为核心，以实验资源充分利用为基础，以高素质实验教学队伍和完备的实验条件为保障，创新元器件管理机制，利用计算机辅助教学的理念，全面提高实验效率和实验室使用效益。

【参考文献】

[1]张晓宁.国家级实验教学示范中心建设状况[J].实验室研究与探索，2009，28（10）：85-89.

[2]毛福新，郭晓河，顾小佳.电子元器件管理装置的研究与应用[J].设备管理与维修，2018，3：148-149.

[3]创建高水平实验教学示范中心的实践[J].实验室研究与探索，2007，26（04）：93-95.

[4]邵乙迪，蔡戬，王卫东.电子元器件管理计划应用分析[J].电脑知识与技术，2017，13（32）：257-258.

[5]关玉蓉.基于可视化平台的API接口研究[J].科技广场，2015，6：26-29.

[6]任晨曦.WEB服务器集群系统的设计与实现研究[J].信息与电脑，2018，12：97-98.

[7]韩冬.基于嵌入式Linux与QT的微型生化分析仪界面软件设计[J].自动化技术与应用，2016，3508：63-66.