CN103020762B - 一种实验室仪器设备控制管理与计费系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及嵌入式、无线通信和计算机领域，提供了一种实验室仪器设备控制管理与计费系统，包括用于控制管理的服务器子系统，该服务器子系统上有业务管理套件、Web预约套件、一卡通接入套件和数据库平台，其通过相应功能模块与用户计算机子系统、校园一卡通平台、客户机子系统和以太网控制子系统进行信息交互；客户机子系统上有客户机套件且客户机套件与一组ZigBee控制子系统进行信息交互；各以太网控制子系统与ZigBee控制子系统分别与一受控设备接口进行信息交互。该系统实现了对现有大型仪器设备的非嵌入式控制，解决了现有技术控制方式单一问题；又实现了与校园一卡通平台的无缝对接，从而实现大型仪器设备管理结算的自动化。

Description

一种实验室仪器设备控制管理与计费系统

技术领域

本发明涉及嵌入式、无线通信和计算机领域，具体是一种实验室仪器设备控制管理与计费系统。

背景技术

培养研究型、创新性人才成为当前世界优秀高校人才培养的共同目标，因此，为学生提供动手实践和科技制作的开放型实验室成为众多高校的重要工作。开放型实验室可以向以班级为单位的集体实验开放，也可以向学生、教师个人实验开放，故其控制与计费管理成为一项重要工作。

目前，实验室大型仪器设备的控制方式单一，且大多采用控制设备电源开闭的方式，不适用于非直接断电类的实验设备，且直接切断电源的方式对设备损害较大；此外，校园一卡通平台是数字化校园建设的重要组成部分，其可以取代学生证、工作证、借书证、医疗证、出入证等各种证件全部或部分功能，便于师生员工在学校各处出入、办事、活动或消费，但实验室大型仪器设备难以和校园一卡通平台进行有效对接，认证和结算较为复杂，占用较多的人力和物力。这不仅增加了实验管理员的负担，同时给教师与学生带来不便，也降低了实验室的利用率。此为现有技术的不足之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不但能够有效解决大型仪器设备现有控制电源方式的缺陷问题，又能实现与校园一卡通平台的有效对接的一种实验室仪器设备控制管理与计费系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下一种实验室仪器设备控制管理与计费系统，它包括用于控制管理的服务器子系统，所述服务器子系统包括业务管理套件、Web预约套件、一卡通接入套件和数据库平台，所述数据库平台分别与所述的业务管理套件、Web预约套件和一卡通接入套件信息交互；所述服务器子系统通过Web预约套件与用于在线预约的用户计算机子系统信息交互、通过一卡通接入套件与用于用户认证与结算的校园一卡通平台信息交互，同时与客户机子系统和多台以太网控制子系统信息交互；所述用户计算机子系统包括基于预约向量的预约及响应机制的Web预约应用模块，所述客户机子系统上有客户机套件且所述客户机套件与一组ZigBee控制子系统信息交互；所述各以太网控制子系统和各ZigBee控制子系统各与一受控设备接口相信息交互；所述各以太网控制子系统通过以太网与服务器子系统上的业务管理套件信息交互，所述各ZigBee控制子系统通过客户机子系统上的客户机子系统套件与服务器子系统上的业务管理套件信息交互。

所述一卡通接入套件为由各校园一卡通的差异化接口集成的一组通用同一化接口，具有校园一卡通平台无关性，该组接口能够方便地提供基于校园卡一卡通的身份认证、数据推送、密钥校验、无卡扣费、有卡扣费等接入功能，从而实现该系统与各校园卡系统的无缝对接。

所述各以太网控制子系统采用UDP通信的方式通过互联网与服务器子系统上的业务管理套件信息交互，各以太网控制子系统主动向业务管理套件发送UDP单播包，业务管理套件通过授权验证机制过滤UDP单播包，并通过业务逻辑处理合法UDP单播包；所述受控设备状态轮询时，业务管理套件以主动方式向各授权以太网控制子系统发送查询指令，所述查询指令为UDP单播包，接到指令的各以太网控制子系统沿路径的反方向反馈设备状态。

所述客户机套件通过TCP/IP协议与所述业务管理套件通信，实现各ZigBee控制子系统的代理业务。

所述ZigBee控制子系统采用无线通信方式通过ZigBee专网与客户机套件通信，且从属于同一个客户机子系统的ZigBee控制子系统组成一个ZigBee网络，所述ZigBee网络中各ZigBee控制子系统通过2-不相交路径路由算法与部署在客户机子系统上的ZigBee协调器进行通信。

所述预约向量包括最短时间分量、最长时间分量、保护时间分量、延迟时间分量、提前时间分量、撤销时间分量和信用分量；其中：最短时间分量和最长时间分量分别为当前设备允许预约的最短时间和最长时间，保护时间分量为当前设备进入预约保护状态的提前时间，延迟时间为当前设备预约用户迟到的容忍时间，提前时间分量和撤销时间分量分别为当前设备可预约和可撤销的时刻点，信用分量根据当前设备的重要程度设置信用惩罚等级并扣除爽约用户响应的信用积分。

所述各以太网控制子系统和各ZigBee控制子系统有I/O控制模块，用于实现各受控设备I/O接口的控制。比如，实现对现有大型仪器设备的VGA接口、DVI接口、HDMI接口、AES/EBU接口、串口接口、USB接口等I/O接口的非嵌入式控制，解决了现有控制电源方式不适用于非直接断电类设备的问题，扩大了非嵌入式控制技术的应用范围。

所述业务管理套件用于处理该系统的业务逻辑，所述该系统的业务逻辑包括实现受控设备接口管理、各以太网控制子系统与各ZigBee控制子系统管理、各受控设备接口与各以太网控制子系统或各ZigBee控制子系统管理的动态匹配、预约业务处理、排课业务处理、计费模式和付费模式；其中：

所述排课业务采用定制课时和定制课表相结合的方式，依据具体应用实际定制课时大小、课时数量及课时起止时间，并对课时进行唯一性编码；

所述计费模式采用按时间计费和按次数计费两种计费模式，通过调整最小时间单位，实现两种计费模式的相互转换，若当前最小时间单位为U，当前的费率为Y，受控设备使用时间为t，则该受控设备计费公式为：

两种计费模式下该受控设备在使用时间内总使用费用为：

其中，U的单位为“秒”，Y的单位为“元”，t的单位为“秒”，f的单位为“元”；

所述付费模式采用预付费和后付费两种付费模式：

(1)预付费模式下，系统为预付费完成且已开启的设备建立一个专属定时器，该定时器的时间间隔为已预付费的换算时间，换算时间到期时触发定时器，系统将发出强制命令关闭该设备；

(2)后付费模式下，系统在用户刷卡开启受控设备时向数据库写入该设备的开启时间，用户刷卡关闭设备时向数据库写入该设备的关闭时间，并利用关闭时间减去开启时间获得设备的使用时间，从而根据计费模块得出的使用费用从用户卡中扣除相应的金额。

所述Web预约套件是基于J2EE技术开发的在线预约应用，它接收来自用户的预约请求并实时写入后台数据库。

所述服务器子系统还包括服务管理套件，用于预付费模式下付费业务的连续性管理。

所述服务器子系统还包括受控设备远程监视子系统，用于监控受控设备的状态，且采用ICMP协议监控以太网控制子系统控制的受控设备状态、采用通过向其所属客户机套件的问询方式监控ZigBee控制子系统控制的受控设备状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)实现了对现有大型仪器设备的VGA、DVI、VGA接口、DVI接口、HDMI接口、AES/EBU接口、串口接口、USB接口等I/O接口的非嵌入式控制，解决了现有技术控制方式单一的问题，扩大了非嵌入式控制技术的应用范围；

(2)实现了与校园一卡通平台的无缝对接，将身份认证和使用结算工作交给校园一卡通平台处理，从而实现大型仪器设备管理结算的自动化。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明所述系统的只有一个客户机子系统的功能框图示意图；

图2为本发明所述系统的受控设备接口与各控制子系统的匹配模式示意图；

图3为本发明所述系统的以太网控制子系统示意图；

图4为本发明所述系统的ZigBee控制子系统示意图；

图5为本发明所述系统预约业务逻辑中的预约向量示意图；

图6为本发明所述系统预约业务逻辑中的预约向量分量业务逻辑图；

图7为本发明所述系统预约业务逻辑中的预约状态转换图；

图8为本发明所述系统排课业务逻辑图；

图9为本发明所述系统排课状态转换图；

图10为本发明所述系统业务连续性管理图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

图1为本发明所述系统的只有一个客户机子系统的功能框图示意图，该实验室仪器设备控制管理与计费系统，它包括用于控制管理的服务器子系统，所述服务器子系统包括业务管理套件、Web预约套件、一卡通接入套件和数据库平台，所述数据库平台分别与所述的业务管理套件、Web预约套件和一卡通接入套件信息交互；所述服务器子系统通过Web预约套件与用于在线预约的用户计算机子系统信息交互、通过一卡通接入套件与用于用户认证和结算的校园一卡通平台信息交互，同时与一组客户机子系统和一组以太网控制子系统信息交互；所述用户计算机子系统包括基于预约向量的预约及响应机制的Web预约应用模块，所述客户机子系统上有客户机套件且所述客户机套件与一组ZigBee控制子系统信息交互；所述各以太网控制子系统和各ZigBee控制子系统各与一受控设备接口信息交互；所述各以太网控制子系统通过以太网与所述服务器子系统的业务管理套件信息交互，所述各ZigBee控制子系统通过所述客户机套件与所述服务器子系统的业务管理套件信息交互。

其中，Web预约套件是基于J2EE技术开发的在线预约应用，它接收来自用户的预约请求并实时写入后台数据库；校园一卡通平台包括一组服务器集群和存储集群，用于实现实验室仪器设备的身份认证和金融结算。

图2为本发明所述系统的受控设备与各控制器的匹配模式示意图，其采用客户机索引和内部索引号联合匹配，体现了各控制设备与控制器的灵活匹配的方式；具有相同客户机索引的受控设备和控制器共属于同一客户机子系统组，在同一客户机子系统组下具有相同内部索引的设备和控制器形成匹配关系，前者被后者唯一控制。特别地，可以将所有以太网控制子系统的客户机索引号设置为0。

图3为本发明所述系统的以太网控制子系统示意图，具体地为，各以太网控制子系统采用UDP通信的方式通过互联网与服务器子系统上的业务管理套件进行信息交互，各以太网控制子系统主动向业务管理套件发送UDP单播包，业务管理套件通过授权验证机制过滤UDP单播包，并通过业务逻辑处理合法UDP单播包；当受控设备状态轮询时，业务管理套件以主动方式向各授权以太网控制子系统发送查询指令，所述查询指令为UDP单播包，接到指令的各以太网控制子系统沿路径的反方向反馈设备状态。

图4为本发明所述系统的ZigBee控制子系统示意图，具体为，ZigBee控制子系统采用无线通信方式通过ZigBee专网与客户机套件通信，且从属于同一个客户机子系统的ZigBee控制子系统组成一个ZigBee网络，所述ZigBee网络中各ZigBee控制子系统通过2-不相交路径路由算法与部署在客户机子系统上的ZigBee协调器进行通信；客户机子系统中的客户机套件通过TCP/IP协议与服务器子系统中的业务管理套件进行通信，从而实现ZigBee控制子系统的代理业务。

由图5可知，预约向量包括最短时间分量、最长时间分量、保护时间分量、延迟时间分量、提前时间分量、撤销时间分量和信用分量。其中，最短时间分量和最长时间分量分别为当前设备允许预约的最短时间和最长时间；保护时间分量为当前设备进入预约保护状态的提前时间，在提前保护状态内，排斥除预约用户之外的所有的设备使用请求；延迟时间为当前设备预约用户迟到的容忍时间，超过预约延迟时间，当前预约将被释放；提前时间分量和撤销时间分量分别为当前设备可预约和可撤销的时刻点；信用分量根据当前设备的重要程度设置信用惩罚等级，扣除爽约用户响应的信用积分，其预约分量逻辑图如图6所示，预约状态转换图如图7所示。

图8中，该系统根据具体应用实际定制课时大小、课时数量以及课时起止时间，并对课时进行唯一性编码。定制课表以课时为最小时间单位，加入设备编号、教师卡号、课表作用日期和课表作用时间等约束条件。排课向量包括排课提前时间分量、排课保护时间分量、排课延迟时间分量。当前设备可用时间区间为从排课保护时刻到排课延迟时刻的时间短，且只对已排课教师可用，这种排课方式可以增加排课的灵活性，使得授课教师可以便利地调整授课内容和授课安排；其余时间为设备不可用时间区间。其相应排课状态转换图如图9所示。

本系统采用预付费和后付费两种付费模式。在预付费模式下，当负责设备状态维护的业务管理套件被人为关闭或因操作系统故障终止时，维护所有预付费模式设备的定时器数组将全部被初始化，从而这些预付费模式设备的用户使用状态将全部丢失，即容易发生业务中断。

为了保证业务的连续性，本系统在业务管理套件中加入了一个后台状态记忆线程，如图10所示。设备开启后，设备的用户使用状态将全部纳入后台状态记忆线程管理，直到设备关闭，后台状态记忆线程才释放该设备，从而杜绝业务中断的发生。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实验室仪器设备控制管理与计费系统，其特征在于：它包括用于控制管理的服务器子系统，所述服务器子系统包括业务管理套件、Web预约套件、一卡通接入套件和数据库平台，所述数据库平台分别与所述的业务管理套件、Web预约套件和一卡通接入套件信息交互；所述服务器子系统通过Web预约套件与用于在线预约的用户计算机子系统信息交互、通过一卡通接入套件与用于用户认证和结算的校园一卡通平台信息交互，同时与一组客户机子系统和一组以太网控制子系统信息交互；所述用户计算机子系统包括基于预约向量的预约及响应机制的Web预约应用模块，所述客户机子系统上有客户机套件且所述客户机套件与一组ZigBee控制子系统信息交互；所述各以太网控制子系统和各ZigBee控制子系统各与一受控设备接口信息交互；所述各以太网控制子系统通过以太网与所述服务器子系统的业务管理套件信息交互，所述各ZigBee控制子系统通过所述客户机套件与所述服务器子系统的业务管理套件信息交互；所述业务管理套件用于处理该系统的业务逻辑，所述该系统的业务逻辑包括实现受控设备管理、各以太网控制子系统与各ZigBee控制子系统管理、各受控设备与各以太网控制子系统或各ZigBee控制子系统管理的动态匹配、预约业务处理、排课业务处理、计费模式和付费模式；其中：

所述排课业务采用定制课时和定制课表相结合的方式，依据具体应用实际定制课时大小、课时数量及课时起止时间，并对课时进行唯一性编码；

所述计费模式采用按时间计费和按次数计费两种计费模式，通过调整最小时间单位，实现两种计费模式的相互转换，若当前最小时间单位为U，当前的费率为Y，受控设备使用时间为t，则该受控设备计费公式为：

两种计费模式下该受控设备在使用时间内总使用费用为：

其中，U的单位为“秒”，Y的单位为“元”，t的单位为“秒”，f的单位为“元”；

所述付费模式采用预付费和后付费两种付费模式：

(1)预付费模式下，系统为预付费完成且已开启的设备建立一个专属定时器，该定时器的时间间隔为已预付费的换算时间，换算时间到期时触发定时器，系统将发出强制命令关闭该设备；

(2)后付费模式下，系统在用户刷卡开启受控设备时向数据库写入该设备的开启时间，用户刷卡关闭设备时向数据库写入该设备的关闭时间，并利用关闭时间减去开启时间获得设备的使用时间，从而根据计费模块得出的使用费用从用户卡中扣除相应的金额。

2.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述一卡通接入套件为由各类校园一卡通接口集成的一组接口，用于实现该系统与各类校园一卡通系统的对接。

3.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述各以太网控制子系统通过UDP协议与服务器子系统上的业务管理套件通信。

4.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述客户机套件通过TCP/IP协议与业务管理套件通信。

5.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述ZigBee控制子系统采用无线通信方式通过ZigBee专网与客户机套件通信，且从属于同一个客户机子系统的ZigBee控制子系统组成一个ZigBee网络，所述ZigBee网络中各ZigBee控制子系统通过2-不相交路径路由算法与部署在客户机子系统上的ZigBee协调器进行通信。

6.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述预约向量包括最短时间分量、最长时间分量、保护时间分量、延迟时间分量、提前时间分量、撤销时间分量和信用分量；其中：最短时间分量和最长时间分量分别为当前设备允许预约的最短时间和最长时间，保护时间分量为当前设备进入预约保护状态的提前时间，延迟时间为当前设备预约用户迟到的容忍时间，提前时间分量和撤销时间分量分别为当前设备可预约和可撤销的时刻点，信用分量根据当前设备的重要程度设置信用惩罚等级并扣除爽约用户响应的信用积分。

7.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述各以太网控制子系统和各ZigBee控制子系统有I/O控制模块，用于实现各受控设备I/O接口的控制。

8.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述业务管理套件还包括后台状态记忆线程，用于预付费模式下付费业务的连续性管理。

9.根据权利要求1所述的设备控制管理与计费系统，其特征在于：所述服务器子系统还包括受控设备远程监视子系统，用于监控受控设备的状态，且采用ICMP协议监控以太网控制子系统控制的受控设备状态、采用通过向其所属客户机套件的问询方式监控ZigBee控制子系统控制的受控设备状态。