基于物联网的实验室安全管理系统

李 真，余善恩，陈张平，孙伟华

(杭州电子科技大学 自动化学院，浙江 杭州 310018)

当前，国内许多高校的实验室，管理手段落后，效率低下，尚未采用各种各样现代化的管理工具，高校的实验室管理人员不能够迅速、整体、精确地控制实验的进行程度等一系列的实验室基本信息；实验仪器设备的查询、维修等管理手续繁琐。要改变这种不适应现代化实验管理的现状，需要引入信息化的实验室管理平台。对实验室进行信息化的科学便捷的管理，并不是一个全新的课题，目前全球的多个相关团队都进行着相似的课题探究，有以下几种较为稳定的实验室信息化操控系统:规划智能管理系统对出入实验室的人员进行检测，对实验室内有无人进行精确的判断，从而让实验室的电源拥有智能闭合的性能；依靠分析摄像头采集到的数据来判断实验室内是否有人，但这种方法准确性较低；通过热释电传感器和光敏传感器等构成的传感器网络对实验室采取分区检测从而进行控制，但是此方法布线难度较大，且成本较高。通过对上述几种情况进行总结发现，当前对实验室进行智能管理的系统都有着较为复杂的操作步骤，不能较为简洁有效地解决实际问题[1－2]。

当前，物联网技术发展得越来越迅速，校园一卡通系统也成为各个学校的基本配置[3]；该系统为学生、教室、教职工等的管理带来了巨大的便利[4]。

本文结合校园一卡通系统及物联网技术，将其应用于实验室门禁及电源控制，设计一个智能的实验室安防系统。通过这样一种手段，可以有效解决目前存在的门禁管理及电源漏洞问题，提高了实验室的安全性，降低了学校的能源消耗。

1 当前实验室安全问题隐患分析

在目前高等学校实验室中，通常有着下列几种较为常见的安全问题。一是门禁管理的问题，现有门卡少，非持卡人进入实验室流程非常繁琐，必须去找拥有门卡的老师或者学生，或者等待他们到实验室，此种模式非常不利于开放实验室的管理。其次，所有人都可借卡进入实验室，不便区分，一旦实验室发生事故责任无法追究，存在一定的隐患。三是电源方面，实验室使用大功率电子元器件时，一旦使用后忘记断电，轻则减少设备使用寿命，浪费学校能源，重则直接损坏，甚至引发火灾等，十分危险。

图1 高校实验室安全隐患分析

本文所阐述的基于一卡通的实验室管理系统正是为解决实验室管理繁琐、安全隐患、能源浪费等问题提出的。

2 高校实验室安全管理系统

2.1 硬件方案及实现

在硬件方面，主要实现了门禁、插卡通电、自动断电3个功能。1)门禁。硬件门禁模块如图2所示，本设计基于STM32单片机，结合无线通信模块、识别读卡器等实现电磁开关的控制，并可以进行语音提醒。进门必须使用一卡通，与数据库进行比对，比对成功则成功进入实验室。2)插卡通电。电源总闸模块结构如图3所示，与门禁模块原理近似，也是由单片机作为控制器，控制继电器开关并进行声音提示。实验室内部实行插卡通电，每个插座对应一个卡槽，只有当卡槽插入一卡通时插座才能通电。3)自动断电。系统自动扫描插座，当检测到所有插座都没有插入一卡通时，自动语音提醒，然后若还是无一卡通插入，半小时后自动断电。

图2 硬件门禁模块图

图3 硬件电源总闸结构图

图4 硬件插卡插座结构图

与硬件相关的有5类关键技术。1)RFID无线通信技术。通过射频信号完成信息的无线传输[5－6]。通过定期检测每一个读卡器感应磁卡是否存在，若存在磁卡则将该信号发送到单片机(STM32)。2)GPRS技术。首先由信息采集装置进行相关信息的采集，随后数据终端在RS232的作用之下将相关的信息输送到GPRS数据输送终端，再由GPRS数据输送端口将信息传输到云服务器汇总。3)单片机。选用STM32开发板，其功能齐全适合作为主要控制板，价格便宜，功能强大，支持串口通信，下载调试方便，性价比较高。其通过RF模块接收读卡器传输的信号来控制电源以及门锁的开关。4)本地服务器。选用树莓派2代B型，其形态小巧，方便开发，用其作为服务器进行与云服务器之间的通信。5)供电部分。单片机、本地服务器以及读卡器通过继电器与备用电源相连，使其在实验室断电情况下仍能工作。

WT588D芯片作为一类语音单片机芯片，有着较为优秀的可反复擦除重写的功能，在这样的情况下，本设计优先选用WT588D语音芯片对语音板块的一系列功能进行操控。该芯片不仅适用于PWM输出，且适用于DAC输出。在本文所设计的系统中，由于使用了串口的操控形式，因此选取PWM输出的形式。

在读卡的模块则运用CY－14443A。CY－14443A是以ISO14443标准为基础的零触碰式读卡装置专属芯片。它对模拟调制解调电路进行了高度的集成，因此仅仅需要接入小部分外部电路就能够运行，且对UART端口完美适配。因此，可以使用UART端口，对一卡通信息进行辨识。

无线模块则通过CC1101完成，它集成了一个对程序可编写的调制解调装置，可以实现对2－FSK、GFSK以及MSK多种调制形式进行操作，有着500 Kbps的传输速度。在此基础之上，它还有较为高效的输出功率；对邻道功率(ACP)的功能进行了增强，避免了信号较近时的堵塞现象。

图5 硬件总体架构图

若是一卡通持有者在规定的时间段内出入实验室，将卡片装入相应卡槽时，由控制节点对卡片的数据进行读取并完成有效分析，对信息的正确性以及时效性进行判断，若是正确且时间合理，就会打开总电源并智能完成开门操作，若错误，则无任何反应。取出卡片后，用语音的形式对后续人员进行提醒，若门开后几分钟内无人员通过则自动进行关门操作。

2.2 软件设计

基于校园一卡通的实验室安全管理系统主要由软件与硬件两部分组成，其中软件对学生版与老师版有不同功能[7]。

1)学生端具体功能介绍。

学生端app主要实现的是查询和申请功能。

查询门禁状态:在app中，可通过视图界面，一键发送请求到服务器，服务器受理请求，向客户端反馈当前门禁状态数据，客户端app再解析数据，以视图方式显示当前门禁状态。

门禁权限申请:如果是非实验室人员，或实验室成员忘记带一卡通的情形，可在客户端通过一键申请的方式，向服务器发送权限请求，服务器端再将请求推送给老师客户端以供审核。若审核通过，方可开门。

图6 软件管理流程

2)教师端具体功能介绍。

查询功能:在app中，教师端可通过视图界面，一键发送请求到服务器申请考勤记录或实验室门禁出入记录数据，服务器再向客户端反馈所需数据并在app页面中显示。

权限授予:当有从学生端的权限申请通过服务器推送到教师端时，app会自动通知教师，教师再接受并处理该申请，并反馈给服务器，服务器再将审核结果反馈给学生端，并对门禁硬件模块发出相应指令。

3)管理员端具体功能介绍。

管理员端拥有在web上更改数据库资料的权限，包括实验室人员一卡通信息的录入或删除。其次，管理员端可查询或删除各项记录数据，也可对实验室状态进行实时监控，如若发生用电异常，可通过服务器端控制实验室总闸开关。

在软件的设计规划中，主要运用了Android客户端以及WEB后台两种技术。Android客户端运用Afinal开源开发框架、Fastjson包等一系列相关技术；Web后台则主要涉及Spring MVC框架、Spring Data Jpa、MyBatis数据持久层框架、MySQL数据库、Apache Maven包管理模块、Junit单元测试模块、Thy me leaf模版引擎、阿里 Elastic Compute Service等技术[8]。

2.3 整体技术架构

展现层对请求获取以及结果展现进行负责，一般情况下，展现层有Spring MVC以及Struts2两种结构，Spring结构可以同Spring Web Flow完美适配，同时它也设置有MVC板块，能够较为流畅运行Web软件且具有容易开发的特性[9]。服务层也是业务层，负责请求处理，数据处理，进行事务管理和日志管理。持久层主要负责数据的访问和操作，使用各种框架进行实现[10]，如JDBC数据库连接，Hibernate和Spring Data Jpa。

图7 技术架构图

3 结束语

本系统基于当前已经成熟的物联网技术及校园一卡通技术，解决实验室门禁管理上的漏洞和实验室的用电规范问题，将用电导致的安全隐患降到了最低，并且可以实现在线实时地对实验室人员进行考勤、查询实验室人员状况以及其他一些信息。本文所规划的系统目前已投入到本校实验室的实际运用中，表现优秀，不但可以在学校中运用，也可以在各种企业以及公司得到完美的发挥，并且在节能方面有着极高的效益[11－12]。

[1]余善恩，李真，陈张平，等.基于校园一卡通的开放实验室节能系统研究[J].实验技术与管理，2016，33(12):263－265.

[2]张鼎昱.基于信息科技实验室智能管理系统功能研究[J].科技传播，2014(14):218－219.

[3]林盛，山成菊，潘杰克，等.实验室综合管理平台的构建与实现[J].实验室研究与探索，2017，36(4):245－247.

[4]张志荣，陈桂荣，刘力.校园一卡通的应用及面临的问题[J].科技信息，2013(8):7－7.

[5]崔海良.无源超高频射频识别标签芯片可靠性的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2011.

[6]张万良.基于RFID技术的实验室门禁系统设计[J].电子测试，2013(22):16－17.

[7]雷霆，焦旭东，于健.基于B/S架构的实验室综合管理系统的应用设计[J].实验室科学，2012(2):134－137.

[8]许仟壹.浅谈高等院校一卡通解决方案[J].福建电脑，2010(11):16－17.

[9]杨慧.基于SpringMVC与iBATIS框架的企业工单管理系统的设计与实现[D].北京:中国科学院大学，2015.

[10]陈蔚文，马世龙，田鹏伟.访问可定制的数据持久化管理框架[J].计算机工程与设计，2007(22):5502－5506.

[11]徐转霞，温圣强.论高校电子实验室的日常管理与维护[J].电脑知识与技术，2016(21):154－155.

[12]赵小强.实验室管理新模式的探索及实践[J].实验室研究与探索，2010，29(11):138－139.