基于IC卡的高校實驗室智能管理系統設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：閆春娟 陳琦 人氣： 發表時間：2008年06月30日

引言

通過這幾年高校擴招，各工科院校的實驗教學壓力劇增。使實驗教學管理中存在實驗條件不足和實驗設備、實驗手段相對落后的兩大問題更為突出。另外，現在全國高校正在進行教學質量評估檢查，而實驗教學評 中的重要指標是所開設課程的教學工作量的統計，如實驗課程、實驗項目、實驗人時數、綜合設計性實驗的個數及開設情況等。每年每個任課教師都進行類似的重復性填表工作，不僅浪費時間，而且統計數據不準確。因此，筆者參與了我校實驗教學改革項目，設計了基于IC卡的高校實驗室智能管理系統。該系統主要實現對實驗上機學生的身份識別、實驗臺電源控制、實驗內容要求的自動生成、實驗數據和成績的記錄、學期末各類實驗工作量的統計和上傳等。

1 IC卡實驗室智能管理系統原理

非接觸IC卡又稱射頻卡，是繼條碼卡、磁卡之后推出的新一代識別卡，是射頻識別RFID技術和IC卡技術有機結合的產物。非接觸IC卡與條碼卡、磁卡以及接觸式IC卡比較，具有高安全性、高可靠性、使用方便快捷且壽命長等特點。圖1為IC卡實驗室智能管理系統的總體原理框圖。

圖1 IC卡實驗室智能管理系統的總體框圖

該系統主要包括IC卡讀卡器模塊、實驗臺電源控制系統模塊及服務器實驗管理系統模塊。系統可以實現如下功能：

①前兩個模塊完成學生身份合法認證及實驗臺電源控制。
②實驗管理系統模塊可實現學生考勤、以Browse／Server方式向學生實驗臺上的微機發送實驗項目內容和要求，并接受學生的實驗數據及報告。
③服務器管理系統完成每學期各類實驗報表，如實驗室課程表、實驗項目統計及實驗室利用率等。

2 實驗臺電源控制系統設計

實驗臺上的供電控制是通過驗證學生IC卡的ID號的合法性來實現的。該功能是由IC讀卡器、服務器上的實驗管理系統和實驗臺電源單片機控制系統三部分共同實現的，如圖2所示。

圖2 實驗臺電源控制系統

服務器實驗管理系統預先錄入學生IC卡的ID號(設置為學生學號)。學生需要進入實驗室做實驗時，先在實驗室門口的IC讀卡器上刷卡(該刷卡器與服務器以PS／2接口方式連接)，讀卡器自動將卡號存入服務器鍵盤緩沖區 服務器實驗管理軟件通過查詢鍵盤緩沖區的狀態，來讀取緩沖區內學生卡號，并與預存的合法卡號匹配。如果IC卡合法，服務器管理系統將卡號的末尾兩位數(一個自然班學生人數不超過35人)，以RS485通信方式傳送給實驗臺電源控制系統的單片機。

單片機將接收的8位卡號編碼后通過P1口送給8位譯碼電路。該譯碼器可輸出255個地址譯碼脈沖，但實際上服務器傳過來的有效8位二進制數的范圍是1-35。設當前學生的卡號為i，則 Yi 輸出一個有效的TTL正脈沖信號。該脈沖觸發對應的第i個觸發器置“1”。由于要傳送10米以上的距離來驅動固態繼電器動作，因此要對脈沖進行電平轉換。本設計將觸發器“1”通過D觸發器，并由電平轉換器轉換為12伏直流電壓，使繼電器開關閉合。于是，220伏輸入被切換到實驗臺上供電。從而完成學生身份認證、考勤和實驗臺供電控制的任務。

3 服務器實驗管理系統設計

實驗室管理系統軟件由四個模塊構成。

(1)實驗課程管理模塊

該系統對實驗教學管理嚴格按照教育部“關于實驗室評估標準"o因此，需錄入本實驗室開設課程的“專業教學大綱”，任課教師根據大綱分別制定本學期各實驗班級“實驗教學計劃”。全部教學計劃錄入完成后，系統根據實驗教學計劃、各班級學生人數(錄入學生的名單和學號)、教務課程表和其它實驗安排等因素數，排定本學期本實驗室的實驗安排順序表。經修改確認后，系統自動根據“順序表”監督記錄各實驗過程，通過學生IC卡的卡號驗證阻止非法用戶或合法用戶在非法時間開啟實驗設備，自動實現對學生作實驗的智能化管理。
(2)儀器設備管理模塊

教學評估要求實驗室設備完好率為100 ，可見對儀器設備狀況的掌握和維護是保證實驗室良好運轉的重要條件。本系統要求實驗指導人員執行“驗收責任制”，即在實驗結束驗收時必須對儀器儀表的損壞和故障情況及時登記，以便管理人員進行查詢和維修；若對實驗臺上的儀器調換，則應及時修改數據庫記錄。本實驗室管理系統開機啟動時對損壞儀器、丟失工具等情況均有明顯提示，以提醒管理人員盡快消除隱患。根據設備維修情況，管理人員要及時錄入“維修”和“待報廢”記錄，系統自動刪除相應“待修記錄”，形成設備維修和報廢情況統計報表，為實驗室固定資產管理和報廢申請提供準確資料。

(3)監督記錄模塊

實驗室內服務器管理系統與學生實驗臺上的微機以Brower／Serve模式在實驗室內構成局域網。實驗室人員數據庫分為四級：負責人、管理人員、指導教師和學生，一人一張IC卡。指導教師根據“實驗室課程順序表”確定有關實驗項目和實驗班級，向學生發布實驗項目和內容要求。學生要持IC卡進入實驗室 實驗完成后由實驗臺上的微機提交實． 驗數據，服務器管理系統自動記錄該學生的實驗，實驗結束后等待驗收。實驗指導教師憑IC卡可以重新啟動電源，對學生實驗結果進行檢查和評分，對設備和工具進行驗收；驗收結果分別記入“學生現場成績記錄”和“實驗室日常記錄” 如果有儀器設備損壞會自動形成 設備待修單”。實驗結束后，實驗指導教師可以隨時將學生實驗報告成績錄入系統。

(4)實驗教學評估表格生成模塊

該系統根據以上實際數據記錄和統計條件，可以形成綜合評價實驗室王作韻各類報表。例如：根據指導教師輸入的“學生實驗成績評定標準準和記錄數據，自動評定學生實驗成績；按照實驗室評估要求，輸出各種報表：“實驗教學計劃”、“綜合設計性實驗清單以及計算開出率”、 值班日志”、“維修記錄”及“本學期該實驗室實驗項目統計表”等。

4 系統特色

將IC智能卡技術與實驗室機房管理系統相結合給機房管理部門帶來諸多便利。表現如下：

(1)實驗室管理系統更安全：充分利用IC智能卡的存儲優勢，將持卡人的個人檔案、系統密碼寫入卡中。由于卡的保密性好和不可隨意改動等特性，、保證了從卡中所讀取的數據的可靠性和真實性，杜絕了密碼被竊的可能性。進入實驗管理系統時，只要將學生IC卡經讀卡器刷卡履，計算機即,-Jr自動完成系統合法用戶身份的驗證，不必用鍵盤輸入密碼 若Ic卡丟失或損壞，系統將會禁止原卡在系統中的一切操作，不會給系統數據庫帶來危險。
(2)信息存儲：刷卡進入系統后，實驗臺上微機系統以Brower／Serve模式與服務器通信，可記錄將學生進入、離開系統的時間及所做的實驗數據記錄下來。管理人員可根據記錄隨時監控每位學生的實驗操作情況。
(3)方便查詢：IC智能卡中已經記錄了人員的個人情況。為提高查詢速度，根據查詢條件自動對數據庫中的數據進行篩選，提高了查詢效率。

5 系統使用效果

實驗室的局域網由服務器、交換機、微機工作站等設備經網絡連接而成。網絡拓樸結構采用總線型結構，以TCP／IP協議為基礎，實現不同機種和不同操作系統之間的網絡互連。服務器運行在Windows NT+Server或Windows 2000 Sever平臺上，數據庫采用網絡數據庫SQL Sever710或SQLSever2000。工作站和客戶機采用Windows NT、Windows 98／2000操作系統。經過幾年的學生上機實驗，達到了預期目標。本系統的使用效果總結如下。

(1)有效地解決了人工管理的工作量大、維護困難等問題。
(2)提供了學生上機按日、月、年、特定期限的統計報表功能?？山y計學生上機時機房利用率和實驗開出率等情況，為上級決策部門提供分析材料。
(3)學生身份認證合法后才能開機一個工作臺，注冊成功后就不臺甚再注冊另一臺機器。
(4)管理人員可以遠程監控監視學生上機情況，并可通過網絡遠程發布指令，指導學生活動。
(5)IC卡還可用于學校的計算機房、圖書館、食堂及門禁等，為校園一卡通做好準備。

當然，智能化實驗室管理系統的應用并不能全部包攬實驗室管理和教學工作，主要是完成了指導教師面對眾多實驗記錄數據的繁重的統計和計算任務，有利于快速而科學地進行實驗排課；有效地評定學生實驗成績；監督和記錄從日常實驗室管理到每個實驗的具體過程；從而為實驗室建設保留了完整和真實的記錄數據。各類統計報表也為評估實驗室日常工作和管理提供了重要依據。

作者簡介：閆春娟(1969-)，女，學士，工程師，主要從事實驗教學與管理
陳琦(1978-)，男，學士，講師，主要從事通信方面的教學與科研工作。

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