基于红外传感监测的实验室开放系统设计

0 引 言

目前实验室开放系统已经不能满足当前教学需求，一旦确定排课时间就无法随意修改，造成该实验室内的其他设备无法使用，大大降低了实验室使用效率[1]。由于开放实验室面对学生数量较为庞大，对于不同专业使用的设备也没有明确限制，导致实验室使用时间不合理，无法保证每个学生都具备适合的实验设备[2]。大多数实验室还存在设备利用效率低、管理体制落后、实验时间安排不合理等问题，严重阻碍了科研技术的发展[3]。

本文利用现代化技术对实验室进行信息化建设，以此提高师生学习能力和动手实践能力。实验室开放系统是一个信息化的管理方式，通过多个资源、信息整合和使用来改变师生参与实验的项目，为实验室开放提供全面服务[4]。建立实验室开放系统不仅可以扩大师生在实验室学习的内容，还可满足课程教学创造性需求。根据以往构建的实验室开放系统进行分析，提出的基于红外传感监测的实验室开放系统是在网络环境下研发的，不仅具有多层结构应用程序，还能提供有效网络平台，在这些技术的支持下，该系统可以进行数据快速通信，具有良好的兼容性。

1 实验室开放系统总体框架设计

实验室开放系统设计的主要思路就是放宽管理人员权限，不仅需要调控实验室教学方式，还需调整实验时间，进而满足用户需求[5]。用户需要根据自己的时间、场地选择实验项目，管理人员则需及时分析用户的实验结果，通过系统作出评价。为了同时满足用户与管理人员的需求，需设计系统硬件结构和软件功能。

基于红外传感监测的实验室开放系统总体框架设计如图1 所示。

图1 实验室开放系统总体框架设计

由图1 可知，用户进入开放实验室，应遵守实验室的规章制度，而该系统在传统管理方式的基础上，优化了结构体系和服务方式，采用如图1 所示的总体结构，可对在规定时间未进行实验的用户提醒，而用户也可通过该系统查询最近的实验室预约时间[6]。

2 结构体系

系统硬件结构设计如图2 所示。

图2 实验室开放系统硬件结构

由图2 可知：红外传感监测是以红外线为介质的监测系统，按照功能可划分为辐射计、搜索和跟踪、热成像、红外测距、混合通信。通过红外传感监测无需重新架设网络，只要有电线就可进行数据传递[7]。管理员通过系统设置，给有需要的用户预约时间，提供实验设备，监测实验室安全状态，就可完成硬件结构设计[8]。

2.1 控制模块

硬件控制模块是对门控、灯控和设备进行管理，管理人员通过门控和灯控发送报警信号，再由设备进行统一管理。

2.1.1 门控管理

在门上安装普通磁力锁，附带门磁装置，能够直接反映它的开关状态[9]。如果实验室门没有在规定时间范围内关上，则说明有异常情况发生，此时门磁装置发送信号，通过门控控制器产生报警信号。

单门实现原理图如图3 所示。

图3 单门实现原理

通过收集指纹数据来修改用户信息，可将修改后的指纹数据传输到门控网点指纹仪上，为某个门控网点出入权限进行设置[10]。

根据图3 所示原理，设计门控结构示意图，如图4所示。

图4 门控结构示意图

图4 中计算机通过网络与门控控制器连接，对出入门人员进行查询，并将查询结果传输到主机中进行管理，通过储存、查询、打印，可在异常情况下采取门禁应急措施[11]。

2.1.2 灯控管理

采用PT8A2621 型号芯片作为大规模集成电路的主要芯片，适用于红外线感应式人体灯控。采用继电器控制方式能够应用于走廊、实验室的照明[12]。

灯控管理内部电路图如图5 所示。

图5 中各个引脚所对应的功能依次为：O1和O2分别为第一级和第二级运放输出端；N1和N2 分别为第一级和第二级运放反相输入端；P1和P2分别为第一级和第二级运放同相输入端；OSC1和OSC2 分别表示输出驱动继电器持续时间和系统工作频率；VEE 表示内部稳压器输出端；VCC 表示电源端；GND 表示接地端；Relay表示继电器驱动输出端；ZC 表示交流过零检测端。由于ZC 引脚输入信号需要过零检测，因此，当信号消失时间超过设定时间3 s 时，芯片将重新初始化，此时初始时间为35 s，上边引脚外接电容对其内部不会造成影响[13]。

图5 灯控管理内部电路图

2.2 管理模块

管理模块主要对实验室预约、用户预约进行模块设计，保证实验室设备能够被充分利用。

2.2.1 实验室预约

实验室预约不但可以实现实验室开放预约信息管理，还能实现对用户信息管理。管理人员预约模块是在用户选择预约时间的基础上，将信息与安排内容同时输入主机之中，根据安排情况与用户实际情况进行一定调整，由此自动生成实验室开放预约表，并将该表提供给用户，供设备入库、出库、归还、损坏等及时作出更新决策。

2.2.2 用户预约

用户预约具有一般时间安排功能，对用户专门实验进行安排与管理。用户也可通过主机查看已经安排好的预约情况，并查看其他空闲时间，提出合理实验申请。

管理人员针对开放实验室具体情况作出相应安排，随时查看已经选好实验时间的用户，通过实验结果作出评价，根据评价内容可再次向管理人员提出预约申请。

2.3 监控模块

使用红外传感设备能够抵抗外界强光干扰，并具备电平型和脉冲型两种驱动方式，使用W5500 集成TCP/IP 协议栈为系统提供简易网络连接方式。监控模块由走廊和实验室监控构成，使用红外传感监测技术能够实现监控全覆盖，以此提高设备使用安全性。

3 功能设计

系统功能设计主要使用JAVA 语言开发终端应用程序，选择SQLServer 2005 数据库，在网络基础上应用红外传感监测技术，充分实现实验室开放功能。

实验室开放数据库设计需要构建统一数据库，使软件数据都能从该数据库中提取，这是完成实验室开放式管理的重要环节。经过红外传感监测到的开放实验室用户申请数据，可用式（1）来表示：

式中表示用户申请所发生数据处理结果最小值；x 为原始数据变量；y1,y2,…,yn 表示处理过程中损失的数据；h 为正则化系数；b 为共轭系数；a 为对偶处理过程中数据变量；t为正则化正参数。

通过红外传感介质传输数据，进行安全存储的公式为：

式中表示数据安全最低值；r 为安全级别数据变量。

采用红外传感监测技术对用户申请数据和安全存储数据进行分析，可得到监测结果，以此为基础设计实验室预约流程：

1）用户登录系统，相关项目开放展示；

2）登录选择开放性项目，选择某一实验项目；

3）用户选择结果提交后，选择实验设备与时间；

4）管理人员对用户申报项目进行审核；

5）通过资格审核，根据用户选择设备和时间，系统自动安排；

6）系统安排后，用户可从网站上查询预约情况。

预约流程中的用户登录时序设计如图6 所示。

图6 用户登录时序设计

由图6 可知：用户启动实验室开放系统后，立即出现用户登录界面，用户在登录界面对话框中输入用户信息，并向系统界面发出确认信息。一旦完成信息交流后，启动身份确认模块，验证输入信息是否正确，如果正确，则迅速登录，并显示相应界面；如果错误，则在登录界面发出预警信息，要求该用户退出。

根据时序图，开放实验室管理人员需要及时审核用户预约结果，具体审核流程如下：

步骤1：开放实验室管理人员进入审核界面后，需查看审核信息；

步骤2：进入预约时间后，选择一个预约时间；

步骤3：选择申请信息，查看审核是否通过；

步骤4：如果审核通过，则需将结果反馈给用户；如果审核未通过，则需提交未通过表单，并反馈给用户。

根据上述内容，可完成系统功能设计。

4 仿真实验

在Web 服务器端开发环境下，采用某实验室数据中心提供的数据集，作为基于红外传感监测的实验室开放系统设计仿真实验数据集。

4.1 实验数据分析

在实验室开放系统中设置管理人员和用户这两个角色，数据收集包括资源、用户、管理信息、汇总统计、第三方接口数据，通过这些数据对用户、信息以及系统参数等方面进行管理。实验数据采集结果如表1 所示。

表1 实验数据采集结果

根据收集到的相关数据，对误差进行修正，保证实验结果的真实性。

4.2 误差修正

通过多次采集实验数据，并多次更换系数，可保证数据收集的精准性。

设m 个测量误差为E1,E2,…,Em，这组测量值的标准误差为η，实验标准误差计算公式为：

标准误差真实反映样本平均数对总体平均数的变异程度，通过修正误差可提高实验结果的精密度。

4.3 实验结果与分析

根据上述内容，分别从管理员角度和用户角度对系统预约效果进行评价。

4.3.1 管理员角度

分别采用早期系统和基于红外传感监测系统对实验室开放系统预约效果进行对比分析，结果如表2所示。

表2 管理员角度下两种系统预约效果对比分析

根据表2可知，在实验室开放 8：00—17：00 这段时间段内，有无外界干扰，基于红外传感监测系统都比早期系统预约效果要好。在无干扰条件下，当时间段为8：00—9：00，预约效果最低为97.54%。当时间段为9：00—10：00，预约效果最好，可达到99.01%；而早期系统在该时间段内，预约效果最高可达到75.16%，在时间段为8：00—9：00，预约效果最低为62.14%。在有干扰条件下，当时间段为8：00—9：00，预约效果最低为92.51%。当时间段为16：00—17：00，预约效果最好，可达到95.47%；而早期系统在11：00—12：00 时间段内，预约效果最高可达到48.19%，在时间段为14：00—15：00，预约效果最低为20.59%。

4.3.2 用户角度

在用户角度下，分别采用早期系统和基于红外传感监测系统对实验室开放系统预约效果进行对比分析，结果如图7 所示。

由图7 可知：针对早期系统，无干扰条件下，在时间段为8：00—9：00，预约效果最好，达到60%。在时间段为11：00—12：00，预约效果最差，达到45%；有干扰条件下，在时间段为8：00—9：00，预约效果最好，达到35%。在时间段为11：00—12：00，预约效果最差，达到20%。

针对基于红外传感监测系统，无干扰条件下，在时间段为16：00—17：00，预约效果最好，达到91%。在时间段为9：00—10：00，预约效果最差，达到85%；有干扰条件下，在时间段为9：00—10：00，预约效果最好，达到89%。在时间段为10：00—11：00，预约效果最差，达到81%。

图7 用户角度下两种系统预约效果对比分析

因此，在有无干扰条件下，基于红外传感监测系统预约效果较好。

5 结 语

随着实验室开放系统的逐渐普及，用户可通过登录系统就能进行操作，方便实验室工作人员管理，进而提高办公效率。充分利用红外传感监测的优势构建实验室开放系统，可实现对实验设备的开放式管理，相比于传统系统，该系统的设计不仅能够使用户和实验室管理员两者有机结合在一起，提高实验室管理效率，还能使用户在任何时间、地点进行实验预约，保证实验设备被充分利用。

基于红外传感监测的实验室开放系统的开发具有一定建设性意义，但在各功能模块使用的过程中存在一定局限性，有待进一步研究。