智能开放式实验室现场管理系统的设计和实践

吴琦 肖李文 苟燕 何裕琨

（四川工商职业技术学院 四川省都江堰市 611830）

1 开放式实验室现场管理系统的建设背景及功能需求分析

1.1 开放式实验室现场管理系统的建设背景

开放实验室的建立，是为了学生能够方便、自主的学习，进行一系列的实践创新[1]。国内本科院校在实验室开发及管理上做了很多尝试，例如：天津理工大学提出了基于学科竞赛驱动的实验室开放模式。不但有效地提高了实验室开放质量，而且在学生的实践能力和创新精神培养与发展上发挥了重要作用[2]；东北农业大学提出了教学与科研实验室协同开放的管理和运行机制[3]；西安电子科技大学提出了借助校企联合培养基地加大实验室开放举措，构建学生自主管理新模式[4]。但目前大多数高职院校的实验室开放程度都很低[5]，面向创新实践已经不能满足师生的进一步需求，要提高实验质量、提升实验室建设水平，实现资源的合理配置、高效共享, 则必须实行实验室的有效开放。[6]

1.2 开放式实验室现场管理系统的功能需求

在实验室开放的过程中，除了要考虑实验室安全因素之外，还有多种因素直接影响了实验室开放的程度，例如：实验室同一时间段为多少学生开放，学生怎么才能获得进入实验室的资格，实验室现场是否要人值守，如果实验室现场无人值守又怎样对学生资格进行审核和判定，学生进入实验室后又能有多少时间进行实践，如果学生超时实验室现场又怎么处理，怎么保障实验过程中学生的人身安全和实验室的设备仪器安全等等。

以我校智能开放式实验室管理系统为例，针对以上因素，将开放式实验室管理分为了实验室管理平台和现场管理系统两大部分，其中实验室管理平台主要实现学生用户的在线人脸注册，对实验室区域预约状态的在线查询，预约实验项目的在线填写等功能。

开放式实验室现场管理系统则主要需要实现四大功能：

（1）学生在线预约的信息对接，包括：学生人脸信息、预约时间、预约实验区域等；

（2）预约时间段内，学生现场的人脸识别；

（3）预约实验区域的信息化管理，包括：电源管理、设备管理等；

（4）实验室各区域运行状态的实时监控，包括：实验区域、实验人员、实验设备等。

图1：开放式实验室现场管理系统架构图

2 开放式实验室现场管理系统的整体架构

2.1 开放式实验室现场管理系统的架构设计

开放式实验室现场管理系统主要由核心处理器、触摸屏、摄像模块、数据存储模块、网络通信模块、门控模块、实验区域电源管理模块以及供电电路多个部分组成，如图1 所示。

其中，系统用stm32 作为中央处理单元，主板由电源电路提供12V 供电，通过驱动接口电路实现摄像头和RGBTFTLCD 液晶屏的控制，摄像头用于人脸识别，液晶屏用于人脸图像识别结果显示，下位机系统与上位机的数据通信采用TCP 网口方式进行，存储单元由SD 卡和FlashROM 组成用于图像、通信数据的存取，门禁控制和实验区域电源管理实现实验室现场的智能管理。

2.2 开放式实验室现场管理系统的主要元器件选型分析及电路设计要点

本系统的核心处理芯片既需要快速进行图像采集和识别，又需要高速与上位机进行数据通信。市场上主流的处理芯片主要有单片机、FPGA、ARM 等，其中单片机应用广泛，成本低廉，但速度和数据处理能力较低；FPGA 速度和数据处理能力好，但编程复杂；ARM 近几年应用大幅增加，速度和数据处理能力较好，成本较低。本系统结合价格因素，考虑到系统数据处理量较大、需要具备TCP 网口通信功能，因此选用ST 公司的ARM®Cortex®-M7 系列的STM32F767IGT6 芯片，该芯片最大的工作频率可达216MHz，还支持图像格式转换功能，在数据处理以及算法运算速度的性价比较高，能满足本系统的设计需求。

本系统的摄像模块选用OV5640，该模块像素为500 万，能够获取更清楚的信息，而且摄像头的帧率能最大增大到60fps，还有自动曝光、自动白平衡、自动对焦等多项功能，能满足本系统的图像录入设计要求。本系统的内存和存储芯片分别采用W9825G6KH芯片和W25Q256 芯片，其中W9825G6KH 是一种高速同步动态随机存取存储器（SDRAM），提供高达200M 字节的数据带宽和高达200MHZ 的频率，而W25Q256 是一种串行通信的Flash Rom，存储空间为256Mbit，擦写周期多达10 万次，最高时钟频率可达 104MHz，具有20年的数据保存期限，两款芯片能满足本系统的运行和存储要求。

本系统的核心板是采用STM32F767IGT6 单片机作为主体，用来控制摄像头的数据传输，内存的分配以及保存，RGB 屏的显示等功能。本系统的驱动接口电路主要涉及摄像驱动和液晶驱动两大部分。其中，摄像驱动部分，采用Ov5640 摄像头作为图像的采集，采用DVP 输出接口接收外部 CMOS 摄像头模块发出的高速数据流，摄像驱动部分的供电电压为3.3V；液晶驱动部分，采用7 寸RGB TFTLCD 作为信息的显示，可支持5 点同时触摸，液晶供电部分采用外部5V 供电。本系统的网络通信模块，采用支持10MbPS（10BASE-T） 和100MbPS（100BASE-TX）操作的LAN820A/LAN820AI 芯片作为数据传输核心，主要实现与上位机平台的TCP网线通信。

3 开放式实验室现场管理系统的软件设计

现场管理系统采用Keil 公司推出的Keil MDK v5 版本作为开发环境，软件主要包括人脸识别、网络通信、现场管理三大部分，其主要功能的设计如下。

3.1 人脸识别功能的软件设计

现场管理系统的人脸识别软件主要实现对学生在开放式实验室管理平台录入的人脸信息与现场拍摄采集的人脸信息进行对比，判断是否有预约以及是否在预约时间段的现场审核功能，主要流程为：当学生来到实验门口，LCD 触摸屏判断是否触摸了LCD 屏→LCD触摸后，触发人脸识别功能，摄像头开始初始化准备进行拍照→拍照后将信息存到SDRAM 中进行缓存→通过DMA 将数据在LCD显示屏上进行显示→中央控制单元按时间因素进行处理，从SD 内存卡接收的上位机预约者信息中调取当前时段的预约人脸信息，将摄像头采集的人脸信息与之对比查找→如果人脸信息对比成功，则对应调用现场门禁和实验区域电源管理功能，并调用网络通信功能，将预约者的数据实时反馈；如果对比不成功，则在LCD 屏中显示对应的失败信息。

3.2 网络通信功能的软件设计

现场管理系统的网络通信软件主要实现定时向上位机获取该时段内的预约学生的姓名、学号、人脸图片、预约区域等数据信息，以及向上位机回传预约成功的相关信息；向上位机获取信息的主要流程为：判断当前时间是否在这天的预约时间段→如果在预约时间段，建立TCP 通信与上位机进行握手连接→系统向上位机发送获取本次时间段的预约信息的校验信息命令→上位机接受命令后向系统发送本次时间段的学生的姓名，学号，照片，预约区域等预约信息→系统逐次接受信息并进行CRC 校验→校验成功后把每次的信息存储到SD 内存卡中→在判断信息是否接受完成→接受完成后，系统主动断开连接。向上位机回传信息的主要流程为：当预约者现场人脸对比成功后，重新建立TCP 通信与上位机进行握手连接→系统向上位机发送回传信息的校验指令→系统将预约者进入实验室的实时时间和实验区域的电源状态等信息打包向上位机进行回传→上位机接收回传信息完成后，反馈校验信息→系统判断校验信息成功后，主动断开连接。

3.3 现场管理功能的软件设计

图2：开放式实验室管理系统在线“人脸注册”操作

现场管理系统的现场管理软件主要实现人脸识别通过之后的实验室门禁管理和实验区域电源管理，门禁管理的主要流程为：当学生人脸识别评定通过后，调用现场管理模块，打开门禁→判断预约者是否已经进入→若进入，则关闭门禁、开启对应实验区域的电源；若未进入，定时关闭门禁，重置现场管理模块。实验区域电源管理主要流程：判断学生是否进入实验室→进入后，远程开启预约区域电源→实验过程中，将已开启的实验区域的电源开关状态实时回调至上位机→当学生预约时间快到之前，按结束前15 分钟、10 分钟、5 分钟，分三次调用区域语音模块进行现场语音提示→当预约的时间已经结束，自动断开该实验区域电源；若预约者提前离开，需按下实验区域的提前结束按键，关闭所在实验区域的电源→实验区域电源关闭后，系统回传上位机实验区域电源的状态以及关闭原因（例如：预约时间是自然结束还是提前结束离开等）。

4 开放式实验室现场管理系统的应用流程

开放式实验室管理系统已在我校投入运行，应用过程是与“实践教学服务与管理平台”结合使用的，具体应用流程如下：

4.1 平台在线人脸录入

如图2 所示，学生在“实践教学服务与管理平台”成功完成理论测试和设计实验步骤后就可以进行实验室的预约，学生在预约实验的过程中，将会自动跳转至“智能开放式实验室管理系统”；如果是第一次进入这个系统，将会进行“人脸识别”的在线注册。具体流程：进入“人脸录入”页面，自动启动电脑摄像头，并在页面左侧将摄像头所拍摄的信息进行实时显示→点击该区域下方的“人脸截图”，进行人脸拍照和照片的存储，预存的照片在页面右侧显示→人脸拍照完成后，点击“上传截图”，后台将人脸照片信息和预约学生的学生信息一并打包进行数据存储，从而完成人脸注册功能。

4.2 实验室预约状态在线查询

学生完成人脸注册后，可点击进入实验室预约状态查询界面，通过左侧的条件选择区，选择准备查询的预约日期、系部、实验室编号、实验类型（常规类、创新类），查询右侧对应实验区域的可预约状态，并且可以查看不同实验区域的设备、材料和所能实施的实验类型。

4.3 实验室预约信息在线填写

学生完成实验室预约状态的查看后，点击准备预约的实验区域，进入实验室预约信息填写界面，分别需要填写学号、班级，选择课程科目、选择对应课程科目的实验项目，并且可简单浏览右侧的实验介绍（包括：实验设备、实验材料、实验内容简介）。

4.4 实验室现场验证

学生完成实验室的在线预约后，只有在预约规定的时间内，到达实验室现场进行人脸识别，才能通过现场验证进入实验室，并启动对应预约区域电源进行实验；无论是在预约时间之前，还是在预约时间段已经结束之后，在实验室现场进行人脸识别，现场LCD屏都会显示“当前时间段，预约者信息不匹配”，都无法通过现场验证。

5 开放式实验室现场管理系统的应用效果

开放式实验室现场管理系统经过校内现场试运行，实现了将普通的电子实验室改造为从早到晚、一周七天都开放的实验环境，有近20%的学生开展了创新实验项目，人数相对以往统计结果提升了1 倍以上[5]，系统运行的故障率稳定在低水平，达到了设计的预期效果。

6 结束语

系统应用统计结果显示，开放式实验室现场管理系统能简化实验预约审批流程，提高实验室的使用效率，提高设备资源的利用率，但在实际应用中，还需要围绕实验室的精细化管理继续优化。