基于IC卡的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計

0 引言 

    通過這幾年高校擴(kuò)招，各工科院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力劇增。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中存在實(shí)驗(yàn)條件不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)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(jìn)行教學(xué)質(zhì)量評估檢查，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)評中的重要指標(biāo)是所開設(shè)課程的教學(xué)工作量的統(tǒng)計，如實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)人時數(shù)、綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的個數(shù)及開設(shè)情況等。每年每個任課教師都進(jìn)行類似的重復(fù)性填表工作，不僅浪費(fèi)時間，而且統(tǒng)計數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此，筆者參與了我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，設(shè)計了基于IC卡的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)上機(jī)學(xué)生的身份識別、實(shí)驗(yàn)臺電源控制、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求的自動生成、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和成績的記錄、學(xué)期末各類實(shí)驗(yàn)工作量的統(tǒng)計和上傳等。 

1 IC卡實(shí)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)。圖1為IC卡實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的總體原理框圖。

圖1 IC卡實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺電源控制系統(tǒng)模塊及服務(wù)器實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)模塊。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能： 

    ①前兩個模塊完成學(xué)生身份合法認(rèn)證及實(shí)驗(yàn)臺電源控制。
    ②實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)模塊可實(shí)現(xiàn)學(xué)生考勤、以Browse／Server方式向?qū)W生實(shí)驗(yàn)臺上的微機(jī)發(fā)送實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容和要求，并接受學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及報告。
    ③服務(wù)器管理系統(tǒng)完成每學(xué)期各類實(shí)驗(yàn)報表，如實(shí)驗(yàn)室課程表、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目統(tǒng)計及實(shí)驗(yàn)室利用率等。

2 實(shí)驗(yàn)臺電源控制系統(tǒng)設(shè)計 

    實(shí)驗(yàn)臺上的供電控制是通過驗(yàn)證學(xué)生IC卡的ID號的合法性來實(shí)現(xiàn)的。該功能是由IC讀卡器、服務(wù)器上的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)臺電源單片機(jī)控制系統(tǒng)三部分共同實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺電源控制系統(tǒng) 

    服務(wù)器實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)預(yù)先錄入學(xué)生IC卡的ID號(設(shè)置為學(xué)生學(xué)號)。學(xué)生需要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)時，先在實(shí)驗(yàn)室門口的IC讀卡器上刷卡(該刷卡器與服務(wù)器以 PS／2接口方式連接)，讀卡器自動將卡號存入服務(wù)器鍵盤緩沖區(qū)服務(wù)器實(shí)驗(yàn)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(xué)生卡號，并與預(yù)存的合法卡號匹配。如果IC卡合法，服務(wù)器管理系統(tǒng)將卡號的末尾兩位數(shù)(一個自然班學(xué)生人數(shù)不超過35人)，以RS485通信方式傳送給實(shí)驗(yàn)臺電源控制系統(tǒng)的單片機(jī)。 

    單片機(jī)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(shí)際上服務(wù)器傳過來的有效8位二進(jìn)制數(shù)的范圍是1- 35。設(shè)當(dāng)前學(xué)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(yīng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)臺上供電。從而完成學(xué)生身份認(rèn)證、考勤和實(shí)驗(yàn)臺供電控制的任務(wù)。

3 服務(wù)器實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)計 

    實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)軟件由四個模塊構(gòu)成。
 
    (1)實(shí)驗(yàn)課程管理模塊 

    該系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理嚴(yán)格按照教育部“關(guān)于實(shí)驗(yàn)室評估標(biāo)準(zhǔn)"o因此，需錄入本實(shí)驗(yàn)室開設(shè)課程的“專業(yè)教學(xué)大綱”，任課教師根據(jù)大綱分別制定本學(xué)期各實(shí)驗(yàn)班級“實(shí)驗(yàn)教學(xué)計劃”。全部教學(xué)計劃錄入完成后，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計劃、各班級學(xué)生人數(shù)(錄入學(xué)生的名單和學(xué)號)、教務(wù)課程表和其它實(shí)驗(yàn)安排等因素數(shù)，排定本學(xué)期本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)安排順序表。經(jīng)修改確認(rèn)后，系統(tǒng)自動根據(jù)“順序表”監(jiān)督記錄各實(shí)驗(yàn)過程，通過學(xué)生IC卡的卡號驗(yàn)證阻止非法用戶或合法用戶在非法時間開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自動實(shí)現(xiàn)對學(xué)生作實(shí)驗(yàn)的智能化管理。

    (2)儀器設(shè)備管理模塊  

    教學(xué)評估要求實(shí)驗(yàn)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(hù)是保證實(shí)驗(yàn)室良好運(yùn)轉(zhuǎn)的重要條件。本系統(tǒng)要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)人員執(zhí)行“驗(yàn)收責(zé)任制”，即在實(shí)驗(yàn)結(jié)束驗(yàn)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(jìn)行查詢和維修；若對實(shí)驗(yàn)臺上的儀器調(diào)換，則應(yīng)及時修改數(shù)據(jù)庫記錄。本實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)開機(jī)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(yīng)“待修記錄”，形成設(shè)備維修和報廢情況統(tǒng)計報表，為實(shí)驗(yàn)室固定資產(chǎn)管理和報廢申請?zhí)峁?zhǔn)確資料。 

    (3)監(jiān)督記錄模塊 

    實(shí)驗(yàn)室內(nèi)服務(wù)器管理系統(tǒng)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺上的微機(jī)以Brower／Serve模式在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)成局域網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)室人員數(shù)據(jù)庫分為四級：負(fù)責(zé)人、管理人員、指導(dǎo)教師和學(xué)生，一人一張IC卡。指導(dǎo)教師根據(jù)“實(shí)驗(yàn)室課程順序表”確定有關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)班級，向?qū)W生發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容要求。學(xué)生要持IC卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)完成后由實(shí)驗(yàn)臺上的微機(jī)提交實(shí)．驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器管理系統(tǒng)自動記錄該學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后等待驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師憑IC卡可以重新啟動電源，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查和評分，對設(shè)備和工具進(jìn)行驗(yàn)收；驗(yàn)收結(jié)果分別記入“學(xué)生現(xiàn)場成績記錄”和“實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可以隨時將學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告成績錄入系統(tǒng)。  

    (4)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評估表格生成模塊 

    該系統(tǒng)根據(jù)以上實(shí)際數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計條件，可以形成綜合評價實(shí)驗(yàn)室王作韻各類報表。例如：根據(jù)指導(dǎo)教師輸入的“學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績評定標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)和記錄數(shù)據(jù)，自動評定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績；按照實(shí)驗(yàn)室評估要求，輸出各種報表：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)計劃”、“綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)清單以及計算開出率”、值班日志”、“維修記錄”及“本學(xué)期該實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目統(tǒng)計表”等。 

4 系統(tǒng)特色 

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

    (1)實(shí)驗(yàn)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(shí)性，杜絕了密碼被竊的可能性。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)時，只要將學(xué)生IC卡經(jīng)讀卡器刷卡履，計算機(jī)即,-Jr自動完成系統(tǒng)合法用戶身份的驗(yàn)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(jìn)入系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)臺上微機(jī)系統(tǒng)以Brower／Serve模式與服務(wù)器通信，可記錄將學(xué)生進(jìn)入、離開系統(tǒng)的時間及所做的實(shí)驗(yàn)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(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行篩選，提高了查詢效率。 

5 系統(tǒng)使用效果  

    實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng)由服務(wù)器、交換機(jī)、微機(jī)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(shí)現(xiàn)不同機(jī)種和不同操作系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互連。服務(wù)器運(yùn)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(jī)采用Windows NT、Windows 98／2000操作系統(tǒng)。經(jīng)過幾年的學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。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(hù)困難等問題。 
    (2)提供了學(xué)生上機(jī)按日、月、年、特定期限的統(tǒng)計報表功能。可統(tǒng)計學(xué)生上機(jī)時機(jī)房利用率和實(shí)驗(yàn)開出率等情況，為上級決策部門提供分析材料。  
    (3)學(xué)生身份認(rèn)證合法后才能開機(jī)一個工作臺，注冊成功后就不臺甚再注冊另一臺機(jī)器。 
    (4)管理人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)視學(xué)生上機(jī)情況，并可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)布指令，指導(dǎo)學(xué)生活動。 
    (5)IC卡還可用于學(xué)校的計算機(jī)房、圖書館、食堂及門禁等，為校園一卡通做好準(zhǔn)備。  

    當(dāng)然，智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的應(yīng)用并不能全部包攬實(shí)驗(yàn)室管理和教學(xué)工作，主要是完成了指導(dǎo)教師面對眾多實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)的繁重的統(tǒng)計和計算任務(wù)，有利于快速而科學(xué)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)排課；有效地評定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績；監(jiān)督和記錄從日常實(shí)驗(yàn)室管理到每個實(shí)驗(yàn)的具體過程；從而為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)保留了完整和真實(shí)的記錄數(shù)據(jù)。各類統(tǒng)計報表也為評估實(shí)驗(yàn)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(xué)士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理 
    陳琦(1978-)，男，學(xué)士，講師，主要從事通信方面的教學(xué)與科研工作。 

    參考文獻(xiàn)：  
    陸小珊等．高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化管理方式的探索與實(shí)踐[J]．南京： 電氣電子教學(xué)學(xué)報2004 26(4)：21-23． 
    梁里寧．面向公共機(jī)房的Ic卡收費(fèi)管理系統(tǒng)[J3．太原：科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006 16(4)：235—236． 
    劉秀鳳等．開放式計算機(jī)機(jī)房實(shí)驗(yàn)室及Ic卡網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng) 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004 21(6)：75—78：