CN106097211B - 基于云平台的实验室管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于云平台的实验室管理系统，该管理系统具有信息获取部分、数据中转存储部分、应用部分。所述信息获取部分包括环境信息检测及贵重仪器定位模块、设备信息录入模块。所述数据中转存储部分由定制的嵌入式处理模块和云平台服务器组成.其中,嵌入式处理模块构建了一个嵌入式系统，主要完成信息的收集与转发；云平台服务器部分主要是建立数据库服务器和Web服务器，数据库服务器用来存储系统相关的数据信息供应用程序访问。所述应用部分包括手机应用端和Web端。本系统集实验室管理子系统和实验教学子系统于一体；方便实验室的监测管理和实验教学。本专利要应用无线传感网络技术检测实验室的环境信息；对实验室的贵重仪器进行模糊定位；应用嵌入式系统中转监测信息；建立数据库服务器和云平台服务器。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验室管理系统，该系统是一种基于云平台的实验室管理系统。系统应用的技术领域有无线传感器检测技术、嵌入式技术、移动应用开发技术、Web开发技术。
背景技术
实验室作为实践教学中的重要场所，在学习的教学中扮演了重要的角色。正是认识到了实验室教学的重要性，各个学校的实验室也是鳞次栉比的落成。实验室的仪器、耗材、低值品等的需求也越来越大，旧式的登记管理方式已经渐渐显得力不从心。实验室资源是衡量一所学校的硬件和科研水平的一个重要标准，所以各个学校都会投入大量的人力，物力，财力来更新，优化实验室的教学和设备等，虽然对实验室的硬件设施比较重视，花费也比较多，但实验室的软件却没有跟上。实验室的软件，包括对实验室器材、教学仪器、辅助设备、实验教学等的统筹管理，使之达到对仪器设备的充分利用和保养维护，对实验课堂效率的提高。
目前国内大多数的实验室设备管理都是依靠人力，对于实验室室内环境光照烟雾浓度的监测以及视频监控只是传到后台的数据库或者PC端，不能实时的反馈给实验室的使用者。另外目前实验室中安全检系统、实时监控系统都是分开单独设计的。这样以来在系统的部署的时候浪费了很多的原材料。面向客户端的交互产品如Web程序、手持端应用程序（APP），目前尚未有将实验室设备管理实验教学集成到一块儿的产品推出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种基于云平台的实验室管理系统，本系统集实验室管理系统和实验教学系统于一体；方便实验室的管理和实验教学。本专利要应用无线传感网络技术检测实验室的环境信息；对实验室的贵重仪器进行模糊定位；应用嵌入式系统中转检测信息；建立数据库服务器和云平台服务器存储检测到的信息和教学资源；设计并开发手持端应用程序供用户使用。
本发明是这样实现的，构造一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：该管理系统具有信息获取部分、数据中转存储部分、应用部分；
所述信息获取部分包括环境信息检测及贵重仪器定位模块、设备信息录入模块；
所述数据中转存储部分由嵌入式处理模块和云平台服务器组成；嵌入式处理模块与云平台服务器之间实现数据传输；
其中嵌入式处理模块根据实际需求构建了一个嵌入式系统，在功能上主要完成信息的收集与转发；
云平台服务器包括数据库服务器和Web服务器，数据库服务器主要用来存储数系统相关的数据信息，供应用程序访问；
所述应用部分包括手机终端和Web端。
根据本发明所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：
环境信息检测及贵重仪器定位模块与嵌入式处理模块实现数据通信，能够实现实验室环境信息检测及实验室中贵重仪器的定位；
环境信息检测及贵重仪器定位模块包括MCU、环境信息传感检测电路、贵重仪器定位传感检测电路、电源模块、转换接口电路、无线发射模块、晶振部分；环境信息传感检测电路、贵重仪器定位传感检测电路与MCU连接；电源模块和晶振部分连接MCU，MCU通过转换接口电路与无线发射模块连接；
环境信息检测实现如下：传感器检测电路通过I/O口与MCU进行信息传输，MCU通过串口与无线发送模块传输；
该部分应用无线传感检测技术，首先应用微处理器配合相关的传感器对实验室的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度进行检测；而后通过串口和Zigbee模块进行通信；然后应用Zigbee技术，将检测到的信息传输都中转存储单元的接收部分；
贵重仪器定位实现如下：首先需要在贵重仪器周围部署贵重仪器定位传感检测电路, 贵重仪器定位传感检测电路通过IO口先和MCU交互,再由MCU的串口将检测到的信息发送给无线发送模块,其次，通过软件程序让无线发送部分隔一定的时间间隔发送相应的位置信息(Zigbee编程的时候可以分时的发送不同的数据),嵌入式处理模块接收这些信息（与环境检测的信息数据值不同）,然后应用三点定位算法折算出位置，无线发射部分发射相应的电磁波信号即可，在嵌入式处理模块由对应的无线信号接收部分；接收到对应的信号然后计算出贵重仪器的模糊位置信息。
根据本发明所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：所述设备信息录入模块与嵌入式处理模块实现数据通信，该部分首先对实验室的设备进行编号，然后应用条形码扫描器扫描编码之后的信息，最后通过标准的USB接口与定制的嵌入式系统通信；
所述，数据库服务器能够存储相关的教学资源如视频和文档等，然后供客户端应用程序访问。
根据本发明所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：所述，嵌入式处理模块应用ARMA9作为核心的处理器，构建了一个嵌入式系统，在构建系统时依次烧写Bootloader根文件系统和镜像文件，然后在该系统上进行；将信息采集端的数据通过标准的TCP/IP协议转发给云平台服务器进行存储。
根据本发明所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：
系统运行过程如下：
其一，环境信息监测部分流程：
采集原始数据→微控制器处理→串口→无线发送→无线接收→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其二，设备管理部分流程：
设备编码→扫描设备录入→USB接口→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其三，贵重仪器定位部分流程：
贵重设备发射信号无线发送→无线接收→嵌入式处理模块处理器计算位置信息→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其四，教学资源部分流程：
通过Web端→上传教学资源（管理员）→数据库服务器接收教学资源→存储→客户端访问。
本发明的优点在于：该系统具有集成度高、实时性、实用性强高的优点。具体而言该系统集实验设备管理、实验室安全监测、实验教学于一体，大大的增加了资源的复用度；另外该系统具有实时性高的特点即能够实时的将实验室室内的环境量采集传递给客户端，方便实验室管理人员实时的管理系统。另外该系统应用嵌入式系统作为实验室的中控，中控系统具有较高的扩展性，为以后新的应用的接入提供方便。该系统在客户端的一大特色是该系统具有类似“慕课”的实验仪器使用方法教程以及实验基础实验原理讲解的功能，该模块为一个开放的模块，实验室的使用者可以自己上传优秀的视频资源，使得其具有更好的开放性的同时也方便学生对这些知识的学习。另外该软件的升级简单，方便功能的扩展。
本系统的最终效果体现在以下几个方面：
（1）系统研制研制成功之后可以对实验室的环境信息进行实时的监测，当实验室使用者所关心的某一个量超标时，发出预警，并将预警信息反馈给客户端；
（2）系统可以对实验室的精密仪器进行模糊定位，即可以知晓贵重仪器的位置范围，防止贵重仪器丢失；
（3）系统可以通过设备录入模块录入实验室的设备然后统一管理，方便了实验设备的管理；
（4）实验室的使用者可以通过终端（手持端和web端）学习实验仪器的使用方法和实验原理的讲解。
附图说明
图1本发明系统框图
图2a环境信息采集图
图2b无线发送部分流程图
图3a环境信息检测及贵重仪器定位模块框图
图3b MCU电路图
图3c电源模块电路图
图3d贵重仪器定位传感检测电路
图3e环境信息传感检测电路
图3f无线发射模块电路图
图3g转换接口电路图
图4a嵌入式系统构建流程
图4b基于嵌入式平台的软件设计流程。
其中：环境信息检测及贵重仪器定位模块10，设备信息录入模块20，嵌入式处理模块30，云平台服务器40，手机应用端50，Web端60，
MCU11，环境信息传感检测电路12，贵重仪器定位传感检测电路13，电源模块14，转换接口电路15，无线发射模块16，晶振部分17。
具体实施方式
下面将结合附图1-图4b对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进提供一种基于云平台的实验室管理系统，如图1所示，为本系统的整体结构图。该管理系统具有信息获取部分、数据中转存储部分、应用部分；
所述信息获取部分包括环境信息检测及贵重仪器定位模块10、设备信息录入模块20；
所述数据中转存储部分由嵌入式处理模块30和云平台服务器40组成；嵌入式处理模块30与云平台服务器40之间实现数据传输；
其中嵌入式处理模块30根据实际需求构建了一个嵌入式系统，在功能上主要完成信息的收集与转发；
云平台服务器40包括数据库服务器和Web服务器，数据库服务器主要用来存储数系统相关的数据信息，供应用程序访问；
所述应用部分包括手机终端50和Web端60。
环境信息检测及贵重仪器定位模块10与嵌入式处理模块30实现数据通信，能够实现实验室环境信息检测及实验室中贵重仪器的定位；
环境信息检测及贵重仪器定位模块10包括MCU11、环境信息传感检测电路12、贵重仪器定位传感检测电路13、电源模块14、转换接口电路15、无线发射模块16、晶振部分17；环境信息传感检测电路12、贵重仪器定位传感检测电路13与MCU11连接；电源模块14和晶振部分17连接MCU11，MCU11通过转换接口电路15与无线发射模块16连接；
环境信息检测实现如下：传感器检测电路通过I/O口与MCU进行信息传输，MCU通过串口与无线发送模块传输；
该部分应用无线传感检测技术，首先应用微处理器配合相关的传感器对实验室的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度进行检测；而后通过串口和Zigbee模块进行通信；然后应用Zigbee技术，将检测到的信息传输都中转存储单元的接收部分；
贵重仪器定位实现如下：首先需要在贵重仪器周围部署贵重仪器定位传感检测电路, 贵重仪器定位传感检测电路通过IO口先和MCU交互,再由MCU的串口将检测到的信息发送给无线发送模块,其次，通过软件程序让无线发送部分隔一定的时间间隔发送相应的位置信息(Zigbee编程的时候可以分时的发送不同的数据),嵌入式处理模块30接收这些信息（与环境检测的信息数据值不同）,然后应用三点定位算法折算出位置，无线发射部分发射相应的电磁波信号即可，在嵌入式处理模块由对应的无线信号接收部分；接收到对应的信号然后计算出贵重仪器的模糊位置信息。
对于环境信息检测部分来讲，该部分应用无线传感检测技术，首先结合单片机技术和传感器检测技术对实验室的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度进行检测。而后通过串口和Zigbee模块进行通信。然后应用Zigbee技术，将检测到的信息传输都中转存储单元的接收部分。
对于设备信息录入部分来讲，该部分首先对实验室的设备进行编号，然后应用条形码扫描器扫描编码之后的信息。最后通过标准的USB接口与中转存储部分的嵌入式处理模块通信。
对于贵重仪器定位来讲，该部分主要是应用Zigbee技术和嵌入式技术对实验室的贵重仪器进行模糊定位。然后将定位的信息传递给实验室中控部分。
对于教学资源部分来讲，该部分主要应用将相关的教学资源如实验仪器使用说明、实验原理讲解等上传到服务器上，然后供客户端应用程序访问。
本发明的中转存储部分：该部分由嵌入式处理模块和云平台服务器组成。其中嵌入式处理模块（实验室中控）应用ARMA9作为核心的处理器，构建一个嵌入式系统，在功能上主要完成信息的收集与转发。在实施的过程中依次烧写Bootloader根文件系统和镜像文件，然后在该系统上进行；将信息采集端的数据通过标准的TCP/IP协议转发给云平台服务器进行存储。
云平台服务器部分主要是建立数据库服务器和Web服务器，数据库服务器主要用来存储数系统相关的数据信息，供应用程序访问。
本发明所述一种基于云平台的实验室管理系统，系统运行过程如下；
其一，环境信息监测部分流程：
采集原始数据→微控制器处理→串口→无线发送→无线接收→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其二，设备管理部分流程：
设备编码→扫描设备录入→USB接口→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其三，贵重仪器定位部分流程：
贵重设备发射信号无线发送→无线接收→嵌入式处理模块计算位置信息→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问
其四，教学资源部分流程：
通过Web端→上传教学资源（管理员）→数据库服务器接收教学资源→存储→客户端访问。
本发明具有如下优点：该系统具有集成度高、实时性、实用性强高的优点。具体而言该系统集实验设备管理、实验室安全监测、实验教学于一体，大大的增加了资源的复用度；另外该系统具有实时性高的特点即能够实时的将实验室室内的环境量采集传递给客户端，方便实验室管理人员实时的管理系统。另外该系统应用嵌入式系统作为实验室的中控，中控系统具有较高的扩展性，为以后新的应用的接入提供方便。该系统在客户端的一大特色是该系统具有类似“慕课”的实验仪器使用方法教程以及实验基础实验原理讲解的功能，该模块为一个开放的模块，实验室的使用者可以自己上传优秀的视频资源，使得其具有更好的开放性的同时也方便学生对这些知识的学习。另外该软件的升级简单，方便功能的扩展。
本系统的最终效果体现在以下几个方面：
（1）系统研制研制成功之后可以对实验室的环境信息进行实时的监测，当实验室使用者所关心的某一个量超标时，发出预警，并将预警信息反馈给客户端；
（2）系统可以对实验室的精密仪器进行模糊定位，即可以知晓贵重仪器的位置范围，防止贵重仪器丢失；
（3）系统可以通过设备录入模块录入实验室的设备然后统一管理，方便了实验设备的管理；
（4）实验室的使用者可以通过终端（手持端和web端）学习实验仪器的使用方法和实验原理的讲解。
信息采集端的软件流程图分为两部分：
一：基于STM32的环境信息采集流程图：
处理器：STM32F103
注：信息采集以温度为例
图2a：环境信息采集图
二：基于CC2530的无线发射部分软件流程如：
处理器：CC2530
图2b无线发送部分流程图。
嵌入式处理器软件流程图：
处理器：ARM Cortex-A9
在嵌入式平台上面运行的软件主要包括以下两个部分：
一：嵌入式系统的构建
嵌入式系统的构建的流程如下：图4a嵌入式系统构建流程；
二：基于嵌入式平台的应用软件设计，图4b基于嵌入式平台的软件设计流程。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：该管理系统具有信息获取部分、数据中转存储部分、应用部分；
所述信息获取部分包括环境信息检测及贵重仪器定位模块（10）、设备信息录入模块（20）；
所述数据中转存储部分由嵌入式处理模块（30）和云平台服务器（40）组成；嵌入式处理模块（30）与云平台服务器（40）之间实现数据传输；
其中嵌入式处理模块（30）根据实际需求构建了一个嵌入式系统，在功能上主要完成信息的收集与转发；
云平台服务器（40）包括数据库服务器和Web服务器，数据库服务器主要用来存储数系统相关的数据信息，供应用程序访问；
所述应用部分包括手机应用端（50）和Web端（60）；
环境信息检测及贵重仪器定位模块（10）与嵌入式处理模块（30）实现数据通信，能够实现实验室环境信息检测及实验室中贵重仪器的定位；
环境信息检测及贵重仪器定位模块（10）包括MCU（11）、环境信息传感检测电路（12）、贵重仪器定位传感检测电路（13）、电源模块（14）、转换接口电路（15）、无线发射模块（16）、晶振部分（17）；环境信息传感检测电路（12）、贵重仪器定位传感检测电路（13）与MCU（11）连接；电源模块（14）和晶振部分（17）连接MCU（11），MCU（11）通过转换接口电路（15）与无线发射模块（16）连接；
环境信息检测实现如下：传感器检测电路通过I/O口与MCU进行信息传输，MCU通过串口与无线发送模块传输；
该部分应用无线传感检测技术，首先应用微处理器配合相关的传感器对实验室的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度进行检测；而后通过串口和Zigbee模块进行通信；然后应用Zigbee技术，将检测到的信息传输到中转存储单元的接收部分；
贵重仪器定位实现如下：首先需要在贵重仪器周围部署贵重仪器定位传感检测电路,贵重仪器定位传感检测电路通过IO口先和MCU交互,再由MCU的串口将检测到的信息发送给无线发送模块,其次，通过软件程序让无线发送部分隔一定的时间间隔发送相应的位置信息,嵌入式处理模块（30）接收这些信息,然后应用三点定位算法折算出位置，无线发射部分发射相应的电磁波信号即可，在嵌入式处理模块由对应的无线信号接收部分；接收到对应的信号然后计算出贵重仪器的模糊位置信息；
系统运行过程如下：
其一，环境信息监测部分流程：
采集原始数据→微控制器处理→串口→无线发送→无线接收→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其二，设备管理部分流程：
设备编码→扫描设备录入→USB接口→嵌入式处理模块中转→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问；
其三，贵重仪器定位部分流程：
贵重设备发射信号无线发送→无线接收→嵌入式处理模块处理器计算位置信息→通过标准的TCP/IP协议传输→数据库服务器存储→客户端端应用程序访问
其四，教学资源部分流程：
通过Web端→上传教学资源→数据库服务器接收教学资源→存储→客户端访问。
2.根据权利要求1所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：所述设备信息录入模块（20）与嵌入式处理模块（30）实现数据通信，该部分首先对实验室的设备进行编号，然后应用条形码扫描器扫描编码之后的信息，最后通过标准的USB接口与定制的嵌入式系统（30）通信；
所述数据库服务器能够存储视频和文档教学资源，然后供客户端应用程序访问。
3.根据权利要求1所述一种基于云平台的实验室管理系统，其特征在于：所述嵌入式处理模块（30）应用ARMA9作为核心的处理器，构建了一个嵌入式系统，在构建系统时依次烧写Bootloader根文件系统和镜像文件，然后在该系统上进行；将信息采集端的数据通过标准的TCP/IP协议转发给云平台服务器进行存储。
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