基于物联网的实验教学管理平台的构建与实现

汪庆 杜炜 耿英保 谷宗运

（安徽中医药大学医药信息工程学院 安徽省合肥市 230012）

高校实验室是开展教学和科研的重要基地，也是提高学生动手实践能力的第二课堂所在地。通过统筹科学地安排实验室资源，能够将实验室的作用在更大程度上发挥出来，有助于进一步提升学生的实践创新和独立思考能力，对培养社会所需的理论和实践都具备的复合型人才有非常积极的作用。

近年来，随着高校大力推进信息化建设，实验室硬件的得以提升，实验室承担的任务不断增加，实验教学管理以及实验室安全管理等问题日益突出。本文是作者在长时间的一线实验教学管理工作调研后提出的一个实用的软硬件结合的物联网管理平台，旨在解决目前高校实验室大幅度扩建后的管理问题，提高实验教学管理的效率。

1 平台总体架构

安徽中医药大学计算机实验实训中心具有计算机相关的实验实训室近30个，分为计算机基础实验室和专业实验室，具体包括：有涉及计算机软件的实验室，如：医药软件开发实验室等；有涉及计算机硬件的实验室，如：数模电实验室等；还有各类专业实验室，如：大数据实验室、医用电子仪器实验室等。目前实验中心承担的实验教学及考试任务有：

（1）校内任务：保障全校日常上机实验课包括所有的计算机公共课实验、实验实训课程实验、全校期末计算机基础无纸化考试、全校新生思政无纸化期末考试、全校新生军事理论无纸化考试等。

（2）校外任务：承担每年数次的国家级省级的重要考试，如：教育部考试中心主办的全国计算机等级考试；安徽省教育招生考试院主办的安徽省计算机水平考试；国家中医药管理局主办的中医执业医师分阶段考试；国家卫生健康委员会主办的住院医师规范化培训考试等。实验中心目前具有专职实验管理人员6人，需要对所有实验室的使用进行管理，实验教学的安排进行协调，承担的所有大小考试都需要提前准备系统的服务器、网络和软件的配置等，任务繁杂且重要。

针对实验室急需解决的教学管理和安全管理，本文设计一个包含两个子系统的物联网平台来解决。首先，可以使用现有校园一卡通卡片和实验室教师机作为媒介，利用无线射频[1]和自动识别等现代信息技术来管理学生日常的考勤情况，进行实验教学管理；其次，可以利用视屏监控系统[2]在实验室区域实施安防布控，做到事件可回溯，保障实验室安全。采用物联网技术[3]构建了一个计算机实验教学管理服务平台，该平台包括两个子系统，分别为：实验教学管理子系统和实验室视频监控子系统，如图1所示。该平台的建立可以进一步提高实验教学管理的效率，保障实验室安全。

2 实验教学管理子系统

图1：实验教学管理平台总体架构

图2：实验教学管理子系统架构

图3：实验教学管理子系统的功能模块设计

目前大多数高校使用的是基于无线射频技术RFID的一卡通系统[4]，该卡片类型大多为M1型无线射频卡，应用于校内的食堂用餐，图书借阅等管理系统，师生可以使用自助充值机器终端对卡内余额进行管理。通过可以使用师生现有的一卡通作为身份识别工具，将学生的学号与一卡通卡号绑定，通过射频识别设备记录学生进出实验室的行为，获取到实验教学出勤数据，从而实现实验教学的管理。子系统的架构如图2所示，右侧为现有的校园一卡通系统，左侧为实验教学管理系统，包含相应的服务器数据库管理和相应的RFID读写卡硬件设备，中间为学生的无线射频卡作为媒介。

实验教学管理子系统模块按功能可以划分为以下几类：发卡模块，课表管理模块，打卡模块，查询模块。该系统的硬件部分由一台服务器和多台考勤设备构成，考勤设备系统选用明泰MRF-35-MEM系列读写卡设备，系统管理员可以通过服务器对射频卡进行卡片权限进行写入和修改，卡片用户可以通过读卡设备进行实验室进入管理。发卡模块主要功能主要是给予射频卡读卡的权限，并将射频卡的卡号与学号相关联，从而实现考勤刷卡的功能；课表管理模块主要功能是录入本学期实验室的实验课的课表，具体到每周的上课时间，具体到节次，作为实验课上课下课刷卡考勤的主要参考依据；打卡模块主要是管理员对学生刷卡时间的进行限定，学生可以从上课前几分钟刷卡作为上课考勤，下课后几分钟刷卡作为下课考勤，从而实现学生实验课出勤的精准管控。查询模块主要是对数据库记录的出勤数据进行查询，作为实验课出勤的主要依据。该子系统总体功能模块设计如图3所示。

实验教学管理子系统的读卡器的主要功能实现是调用设备SDK提供的函数对M1型射频卡实现读卡和写卡。读卡实现过程如下：首先连接读卡器的电源和通讯串口，设置端口号和波特率，调用rf_init()函数对串口进行初始化，调用rf_get_status()函数获取设备硬件版本号，将将扇区的密码装入读写模块RAM中，连接结束。其次，调用rf_card()实现寻卡功能。最后是读取数据过程：在读取之前，先调用rf_authentication()函数进行密码验证，然后调用rf_read ()函数读取M1卡扇区中的数据，读取规则为一次读一个大小为16个字节块的数据，然后将读取的内容显示在编辑框中并调用rf_exit()函数释放串口。写卡过程的串口初始化、连接、寻卡和验证密码步骤与读卡过程相同。写入数据时调用rf_write()函数向M1卡中逐块逐扇区写入数据，写入数据成功后调用rf_beep()进行蜂鸣器鸣叫提示，并调用rf_exit()函数释放串口。

实验教学管理子系统的数据处理处理包括射频卡的读写以及数据库的读写。在不同的情况下需要将数据进行卡和数据库的读写，如：初始发卡时候，需要将学生信息写入卡的同时写入数据库；如果是卡片丢失进行补卡则仅需写卡并修改数据库中的卡号；如若需要单独进行获取卡的信息，可以将卡片放置于读卡器感应区域进行读取；如果需要单独数据库查询则可以根据学号等关键字进行查询。这里系统开发使用Microsoft SQL Server 2008 R2版本数据库，设计了多个表方便系统进行数据查询处理，主要涉及学生表、课程表和缺课表这3个表，即：学生IC表Student_DB主要用于记录将学生信息写入卡片中，包括学号，姓名，性别，班级等信息；课程表TimeTable_DB主要用于记录课程上课的周次和上下课具体时间，用于出勤结果的统计；缺课表Absence_DB主要记录缺勤信息，包括学号、姓名、班级、课程名、迟到时间等。

实验教学管理子系统的读写卡界面如图4所示。

3 实验室视频监控子系统

实验室视屏监控子系统的解决方案通常有硬件视频压缩卡和嵌入式硬盘录像机两种方式，为了将实验教学子系统和视频监控子系统放在一个软件平台，我们使用了硬件视频压缩卡的开发方案。该子系统的需求主要是实现实验室区域内的实时视频监控预览，可以根据计划要求进行录像，可以根据时间对录像进行回放，从而实现实验室的安全防范。

实验室视频监控模块按功能可以划分为以下几类：实时监控模块，录像管理模块，用户管理模块。该系统的硬件部分由一台主机、一块多路通道的视频压缩卡和多个摄像探头组合而成，选用海康威视DS-HC4000系列视频压缩卡，通过采集摄像探头的模拟信号通过视频压缩卡转换成数字信号存储在硬盘，从而实现实验室范围内发生的情况可溯源。实时监控模块的主要功能是将各路摄像探头采集的视频信号通过多路通道呈现在监控矩阵屏幕内，可供实时查看。录像管理模块主要功能是可以将视频流进行数字压缩存储，并可根据时间查询进行回放。用户管理可以对不同用户等级的权限进行管理。该子系统总体功能模块设计如图5所示。

图4：实验教学管理子系统的读写卡界面

图5：实验室视频监控子系统功能模块设计

图6：实验室视频监控子系统的监控界面

视频压缩卡的主要功能是将模拟信号压缩转化成数字视频，进行预览和存储。监控主界面初始化时候需要对视频压缩卡初始化，系统首先调用InitDSPs()函数对办卡进行初始化，然后调用GetTotalChannels()函数获取视频编码的通道数目，利用ChannelOpen()函数打开通道获取该通道的句柄，再调用SetPreviewOverlayMode()函数设置视频的预览模式，最后调用StartVideoPreview()函数对视频通道启动视频图像预览。录像模块的实现使用函数StartVideoCapture()函数和StopVideoCapture()函数进行开启、停止通道视频流的截取。视频监控子系统的主界面如图6所示。

4 结束语

本文通过使用无线射频和视频监控技术，针对当前高校实验室管理过程中出现的一些问题，构建并实现了一个集教学管理、安防管理的一体化实验室管理平台。该平台通过无线射频卡对实验室进入人员进行记录和管控，能够提高实验教学的管理效率，同时平台利用视频压缩卡设计出视屏监控系统，在实验室区域进行安防监测，做到事件可查可回溯，保障实验室内的人员和设备仪器的安全。