基于IC卡的高校实验室智能管理系统设计

0 引言

通过这几年高校扩招，各工科院校的实验教学压力剧增。使实验教学管理中存在实验条件不足和实验设备、实验手段相对落后的两大问题更为突出。另外，现在全国高校正在进行教学质量评估检查，而实验教学评中的重要指标是所开设课程的教学工作量的统计，如实验课程、实验项目、实验人时数、综合设计性实验的个数及开设情况等。每年每个任课教师都进行类似的重复性填表工作，不仅浪费时间，而且统计数据不准确。因此，笔者参与了我校实验教学改革项目，设计了基于IC卡的高校实验室智能管理系统。该系统主要实现对实验上机学生的身份识别、实验台电源控制、实验内容要求的自动生成、实验数据和成绩的记录、学期末各类实验工作量的统计和上传等。

1 IC卡实验室智能管理系统原理

非接触IC卡又称射频卡，是继条码卡、磁卡之后推出的新一代识别卡，是射频识别RFID技术和IC卡技术有机结合的产物。非接触IC卡与条码卡、磁卡以及接触式IC卡比较，具有高安全性、高可靠性、使用方便快捷且寿命长等特点。图1为IC卡实验室智能管理系统的总体原理框图。

图1 IC卡实验室智能管理系统的总体框图

该系统主要包括IC卡读卡器模块、实验台电源控制系统模块及服务器实验管理系统模块。系统可以实现如下功能：

    ①前两个模块完成学生身份合法认证及实验台电源控制。
    ②实验管理系统模块可实现学生考勤、以Browse／Server方式向学生实验台上的微机发送实验项目内容和要求，并接受学生的实验数据及报告。
    ③服务器管理系统完成每学期各类实验报表，如实验室课程表、实验项目统计及实验室利用率等。

2 实验台电源控制系统设计

实验台上的供电控制是通过验证学生IC卡的ID号的合法性来实现的。该功能是由IC读卡器、服务器上的实验管理系统和实验台电源单片机控制系统三部分共同实现的，如图2所示。

实验台电源控制系统

图2 实验台电源控制系统

服务器实验管理系统预先录入学生IC卡的ID号(设置为学生学号)。学生需要进入实验室做实验时，先在实验室门口的IC读卡器上刷卡(该刷卡器与服务器以PS／2接口方式连接)，读卡器自动将卡号存入服务器键盘缓冲区服务器实验管理软件通过查询键盘缓冲区的状态，来读取缓冲区内学生卡号，并与预存的合法卡号匹配。如果IC卡合法，服务器管理系统将卡号的末尾两位数(一个自然班学生人数不超过35人)，以RS485通信方式传送给实验台电源控制系统的单片机。

单片机将接收的8位卡号编码后通过P1口送给8位译码电路。该译码器可输出255个地址译码脉冲，但实际上服务器传过来的有效8位二进制数的范围是1-35。设当前学生的卡号为i，则 Yi 输出一个有效的TTL正脉冲信号。该脉冲触发对应的第i个触发器置“1”。由于要传送10米以上的距离来驱动固态继电器动作，因此要对脉冲进行电平转换。本设计将触发器“1”通过D触发器，并由电平转换器转换为12伏直流电压，使继电器开关闭合。于是，220伏输入被切换到实验台上供电。从而完成学生身份认证、考勤和实验台供电控制的任务。

3 服务器实验管理系统设计

实验室管理系统软件由四个模块构成。

(1)实验课程管理模块

该系统对实验教学管理严格按照教育部“关于实验室评估标准"o因此，需录入本实验室开设课程的“专业教学大纲”，任课教师根据大纲分别制定本学期各实验班级“实验教学计划”。全部教学计划录入完成后，系统根据实验教学计划、各班级学生人数(录入学生的名单和学号)、教务课程表和其它实验安排等因素数，排定本学期本实验室的实验安排顺序表。经修改确认后，系统自动根据“顺序表”监督记录各实验过程，通过学生IC卡的卡号验证阻止非法用户或合法用户在非法时间开启实验设备，自动实现对学生作实验的智能化管理。

(2)仪器设备管理模块

教学评估要求实验室设备完好率为100 ，可见对仪器设备状况的掌握和维护是保证实验室良好运转的重要条件。本系统要求实验指导人员执行“验收责任制”，即在实验结束验收时必须对仪器仪表的损坏和故障情况及时登记，以便管理人员进行查询和维修；若对实验台上的仪器调换，则应及时修改数据库记录。本实验室管理系统开机启动时对损坏仪器、丢失工具等情况均有明显提示，以提醒管理人员尽快消除隐患。根据设备维修情况，管理人员要及时录入“维修”和“待报废”记录，系统自动删除相应“待修记录”，形成设备维修和报废情况统计报表，为实验室固定资产管理和报废申请提供准确资料。

(3)监督记录模块

实验室内服务器管理系统与学生实验台上的微机以Brower／Serve模式在实验室内构成局域网。实验室人员数据库分为四级：负责人、管理人员、指导教师和学生，一人一张IC卡。指导教师根据“实验室课程顺序表”确定有关实验项目和实验班级，向学生发布实验项目和内容要求。学生要持IC卡进入实验室实验完成后由实验台上的微机提交实．验数据，服务器管理系统自动记录该学生的实验，实验结束后等待验收。实验指导教师凭IC卡可以重新启动电源，对学生实验结果进行检查和评分，对设备和工具进行验收；验收结果分别记入“学生现场成绩记录”和“实验室日常记录” 如果有仪器设备损坏会自动形成设备待修单”。实验结束后，实验指导教师可以随时将学生实验报告成绩录入系统。

(4)实验教学评估表格生成模块

该系统根据以上实际数据记录和统计条件，可以形成综合评价实验室王作韵各类报表。例如：根据指导教师输入的“学生实验成绩评定标准准和记录数据，自动评定学生实验成绩；按照实验室评估要求，输出各种报表：“实验教学计划”、“综合设计性实验清单以及计算开出率”、值班日志”、“维修记录”及“本学期该实验室实验项目统计表”等。

4 系统特色

将IC智能卡技术与实验室机房管理系统相结合给机房管理部门带来诸多便利。表现如下：

(1)实验室管理系统更安全：充分利用IC智能卡的存储优势，将持卡人的个人档案、系统密码写入卡中。由于卡的保密性好和不可随意改动等特性，、保证了从卡中所读取的数据的可靠性和真实性，杜绝了密码被窃的可能性。进入实验管理系统时，只要将学生IC卡经读卡器刷卡履，计算机即,-Jr自动完成系统合法用户身份的验证，不必用键盘输入密码若Ic卡丢失或损坏，系统将会禁止原卡在系统中的一切操作，不会给系统数据库带来危险。
(2)信息存储：刷卡进入系统后，实验台上微机系统以Brower／Serve模式与服务器通信，可记录将学生进入、离开系统的时间及所做的实验数据记录下来。管理人员可根据记录随时监控每位学生的实验操作情况。
(3)方便查询：IC智能卡中已经记录了人员的个人情况。为提高查询速度，根据查询条件自动对数据库中的数据进行筛选，提高了查询效率。

5 系统使用效果

实验室的局域网由服务器、交换机、微机工作站等设备经网络连接而成。网络拓朴结构采用总线型结构，以TCP／IP协议为基础，实现不同机种和不同操作系统之间的网络互连。服务器运行在Windows NT+Server或Windows 2000 Sever平台上，数据库采用网络数据库SQL Sever710或SQLSever2000。工作站和客户机采用Windows NT、Windows 98／2000操作系统。经过几年的学生上机实验，达到了预期目标。本系统的使用效果总结如下。

    (1)有效地解决了人工管理的工作量大、维护困难等问题。
    (2)提供了学生上机按日、月、年、特定期限的统计报表功能。可统计学生上机时机房利用率和实验开出率等情况，为上级决策部门提供分析材料。
    (3)学生身份认证合法后才能开机一个工作台，注册成功后就不台甚再注册另一台机器。
    (4)管理人员可以远程监控监视学生上机情况，并可通过网络远程发布指令，指导学生活动。
    (5)IC卡还可用于学校的计算机房、图书馆、食堂及门禁等，为校园一卡通做好准备。

当然，智能化实验室管理系统的应用并不能全部包揽实验室管理和教学工作，主要是完成了指导教师面对众多实验记录数据的繁重的统计和计算任务，有利于快速而科学地进行实验排课；有效地评定学生实验成绩；监督和记录从日常实验室管理到每个实验的具体过程；从而为实验室建设保留了完整和真实的记录数据。各类统计报表也为评估实验室日常工作和管理提供了重要依据。