基于IC卡的高校實驗室智能管理系統(tǒng)設(shè)計

文章出處：http://www.fang1.net 作者：閆春娟 陳琦   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月23日

0 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(shè)備、實驗手段相對落后的兩大問題更為突出。另外，現(xiàn)在全國高校正在進行教學質(zhì)量評估檢查，而實驗教學評 中的重要指標是所開設(shè)課程的教學工作量的統(tǒng)計，如實驗課程、實驗項目、實驗人時數(shù)、綜合設(shè)計性實驗的個數(shù)及開設(shè)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(tǒng)計數(shù)據(jù)不準確。因此，筆者參與了我校實驗教學改革項目，設(shè)計了基于IC卡的高校實驗室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對實驗上機學生的身份識別、實驗臺電源控制、實驗內(nèi)容要求的自動生成、實驗數(shù)據(jù)和成績的記錄、學期末各類實驗工作量的統(tǒng)計和上傳等。 

1 IC卡實驗室智能管理系統(tǒng)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(shù)和IC卡技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)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(tǒng)的總體原理框圖。

圖1 IC卡實驗室智能管理系統(tǒng)的總體框圖 

    該系統(tǒng)主要包括IC卡讀卡器模塊、實驗臺電源控制系統(tǒng)模塊及服務器實驗管理系統(tǒng)模塊。系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(tǒng)模塊可實現(xiàn)學生考勤、以Browse／Server方式向?qū)W生實驗臺上的微機發(fā)送實驗項目內(nèi)容和要求，并接受學生的實驗數(shù)據(jù)及報告。
    ③服務器管理系統(tǒng)完成每學期各類實驗報表，如實驗室課程表、實驗項目統(tǒng)計及實驗室利用率等。

2 實驗臺電源控制系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)的。該功能是由IC讀卡器、服務器上的實驗管理系統(tǒng)和實驗臺電源單片機控制系統(tǒng)三部分共同實現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 實驗臺電源控制系統(tǒng) 

    服務器實驗管理系統(tǒng)預先錄入學生IC卡的ID號(設(shè)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(qū) 服務器實驗管理軟件通過查詢鍵盤緩沖區(qū)的狀態(tài)，來讀取緩沖區(qū)內(nèi)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(tǒng)將卡號的末尾兩位數(shù)(一個自然班學生人數(shù)不超過35人)，以RS485通信方式傳送給實驗臺電源控制系統(tǒng)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(shù)的范圍是1-35。設(shè)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(fā)對應的第i個觸發(fā)器置“1”。由于要傳送10米以上的距離來驅(qū)動固態(tài)繼電器動作，因此要對脈沖進行電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計將觸發(fā)器“1”通過D觸發(fā)器，并由電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12伏直流電壓，使繼電器開關(guān)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(tǒng)設(shè)計 

    實驗室管理系統(tǒng)軟件由四個模塊構(gòu)成。
 
    (1)實驗課程管理模塊 

    該系統(tǒng)對實驗教學管理嚴格按照教育部“關(guān)于實驗室評估標準"o因此，需錄入本實驗室開設(shè)課程的“專業(yè)教學大綱”，任課教師根據(jù)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(tǒng)根據(jù)實驗教學計劃、各班級學生人數(shù)(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(shù)，排定本學期本實驗室的實驗安排順序表。經(jīng)修改確認后，系統(tǒng)自動根據(jù)“順序表”監(jiān)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(shè)備，自動實現(xiàn)對學生作實驗的智能化管理。

    (2)儀器設(shè)備管理模塊 

    教學評估要求實驗室設(shè)備完好率為100 ，可見對儀器設(shè)備狀況的掌握和維護是保證實驗室良好運轉(zhuǎn)的重要條件。本系統(tǒng)要求實驗指導人員執(zhí)行“驗收責任制”，即在實驗結(jié)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(diào)換，則應及時修改數(shù)據(jù)庫記錄。本實驗室管理系統(tǒng)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(jù)設(shè)備維修情況，管理人員要及時錄入“維修”和“待報廢”記錄，系統(tǒng)自動刪除相應“待修記錄”，形成設(shè)備維修和報廢情況統(tǒng)計報表，為實驗室固定資產(chǎn)管理和報廢申請?zhí)峁蚀_資料。

    (3)監(jiān)督記錄模塊

    實驗室內(nèi)服務器管理系統(tǒng)與學生實驗臺上的微機以Brower／Serve模式在實驗室內(nèi)構(gòu)成局域網(wǎng)。實驗室人員數(shù)據(jù)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(jù)“實驗室課程順序表”確定有關(guān)實驗項目和實驗班級，向?qū)W生發(fā)布實驗項目和內(nèi)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(shù)據(jù)，服務器管理系統(tǒng)自動記錄該學生的實驗，實驗結(jié)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(jié)果進行檢查和評分，對設(shè)備和工具進行驗收；驗收結(jié)果分別記入“學生現(xiàn)場成績記錄”和“實驗室日常記錄” 如果有儀器設(shè)備損壞會自動形成 設(shè)備待修單”。實驗結(jié)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(tǒng)。 

    (4)實驗教學評估表格生成模塊

    該系統(tǒng)根據(jù)以上實際數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)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(jù)指導教師輸入的“學生實驗成績評定標準準和記錄數(shù)據(jù)，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(shè)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(tǒng)計表”等。

4 系統(tǒng)特色

    將IC智能卡技術(shù)與實驗室機房管理系統(tǒng)相結(jié)合給機房管理部門帶來諸多便利。表現(xiàn)如下： 

    (1)實驗室管理系統(tǒng)更安全：充分利用IC智能卡的存儲優(yōu)勢，將持卡人的個人檔案、系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)時，只要將學生IC卡經(jīng)讀卡器刷卡履，計算機即,-Jr自動完成系統(tǒng)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(tǒng)將會禁止原卡在系統(tǒng)中的一切操作，不會給系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫帶來危險。 
    (2)信息存儲：刷卡進入系統(tǒng)后，實驗臺上微機系統(tǒng)以Brower／Serve模式與服務器通信，可記錄將學生進入、離開系統(tǒng)的時間及所做的實驗數(shù)據(jù)記錄下來。管理人員可根據(jù)記錄隨時監(jiān)控每位學生的實驗操作情況。
    (3)方便查詢：IC智能卡中已經(jīng)記錄了人員的個人情況。為提高查詢速度，根據(jù)查詢條件自動對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行篩選，提高了查詢效率。

5 系統(tǒng)使用效果 

    實驗室的局域網(wǎng)由服務器、交換機、微機工作站等設(shè)備經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成。網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)，以TCP／IP協(xié)議為基礎(chǔ)，實現(xiàn)不同機種和不同操作系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互連。服務器運行在Windows NT+Server或Windows 2000 Sever平臺上，數(shù)據(jù)庫采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQL Sever710或SQLSever2000。工作站和客戶機采用Windows NT、Windows 98／2000操作系統(tǒng)。經(jīng)過幾年的學生上機實驗，達到了預期目標。本系統(tǒng)的使用效果總結(jié)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(tǒng)計報表功能?？山y(tǒng)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(jiān)控監(jiān)視學生上機情況，并可通過網(wǎng)絡(luò)遠程發(fā)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(tǒng)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(shù)據(jù)的繁重的統(tǒng)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(jiān)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(shè)保留了完整和真實的記錄數(shù)據(jù)。各類統(tǒng)計報表也為評估實驗室日常工作和管理提供了重要依據(jù)。

    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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