池曉宇　彭澤順　沙毅　張立立

【摘 要】隨著計算機(jī)技術(shù)和Internet的發(fā)展，計算機(jī)輔助管理越來越成為今后教育改革的趨勢。借鑒當(dāng)前先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，改革落后的實(shí)驗(yàn)元器件管理手段，利用科學(xué)的方法對元器件進(jìn)行管理，就此目的開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)室智慧管理系統(tǒng)，能夠有效的對各類元器件進(jìn)行分類管理并可通過此系統(tǒng)對元器件位置進(jìn)行快速檢索。實(shí)驗(yàn)室智慧管理系統(tǒng)采用前后端分離部署的辦法，搭建響應(yīng)式頁面和動態(tài)網(wǎng)頁，兼顧移動端和電腦端的使用。能夠?qū)崿F(xiàn)對元器件的智能化管理，有效縮短了找尋元器件所花費(fèi)的時間，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率及元器件的利用率，進(jìn)而提高了實(shí)驗(yàn)室使用效益。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)室；數(shù)據(jù)庫；元器件；管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP 393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0055-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.023

Design and Implementation of Intelligent Management System for Electronic Components in University Laboratories

CHI Xiao-yu PENG Ze-shun SHA Yi ZHANG Li-li

（National Computer Experimental Teaching Demonstration Center，College of computer science and engineering， Northeastern University， Shenyang Liaoning 110819， China）

【Abstract】With the development of computer technology and the Internet， computer-aided management has become a trend of education reform in the future. Drawing on the current advanced computer technology， reforming backward experimental component management methods， and using scientific methods to manage components， a laboratory intelligent management system has been developed for this purpose， which can effectively classify various components and manage them. This system allows quick retrieval of component locations. The laboratory wisdom management system adopts the separation of front and rear ends to build a responsive page and a dynamic web page， taking into account the use of mobile and computer. It can realize the intelligent management of components， effectively shorten the time spent searching for components， improve the efficiency of students experiments and the utilization of components， and thus improve the efficiency of laboratory use.

【Key words】Laboratory； Database； Components； Management system

隨著實(shí)驗(yàn)室的全面開放，越來越多學(xué)生想要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成一些自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)，這些要做實(shí)物的同學(xué)要到實(shí)驗(yàn)儲物柜里取要用的元器件，可是這樣非常容易造成很混亂的局面，各種元器件混在一起，讓人眼花繚亂，況且近年來，隨著我國高等教育的快速發(fā)展，隨著高校學(xué)科建設(shè)[1]、科學(xué)研究工作的快速提高、學(xué)校管理變革的推進(jìn)、儀器設(shè)備日益增多，高校的設(shè)備資產(chǎn)在數(shù)量和質(zhì)量上都得到了快速增長和提高，在實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生提供的電子元件和電子設(shè)備也日益增多，但元件設(shè)備復(fù)雜且不方便統(tǒng)一管理，由學(xué)生人工搜索某些元件設(shè)備耗費(fèi)時間過長，極大的降低了實(shí)驗(yàn)效率，同時傳統(tǒng)的元器件和設(shè)備的存取方式存在諸多類似于過量使用，使用后不歸位等問題[2]。使用效益、經(jīng)濟(jì)效益和管理機(jī)制問題迫在眉睫，亟需一種高效便捷的實(shí)驗(yàn)室元器件存取系統(tǒng)為其提供保障。同時，實(shí)驗(yàn)室元器件存取系統(tǒng)包括了實(shí)名登錄→輸入元器件和設(shè)備名稱→查詢元器件數(shù)量及所在位置等過程流程，可快速查詢并取出元器件，既提高了存取效率又保障了元器件的充分且合理使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 概述

計算機(jī)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心[3]在實(shí)驗(yàn)室元器件管理方面做了大量工作，各類元器件作為實(shí)驗(yàn)課所必須使用的一部分貫穿了整個實(shí)驗(yàn)課過程，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室元器件管理體系經(jīng)過考察發(fā)現(xiàn)仍存在許多不足之處：

（1）現(xiàn)有的元器件管理系統(tǒng)由于未進(jìn)行實(shí)名制管

理，所以存在元器件過度取用的情況，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。

（2）現(xiàn)有的存儲方式主要使用實(shí)體柜對元器件進(jìn)行簡單分類存放，由于沒有計算機(jī)輔助所以使得元器件所在位置以及元器件剩余數(shù)量均不能在第一時間被同學(xué)知曉，是的同學(xué)們找尋元件消耗時間過長。

（3）由于沒有回收監(jiān)督系統(tǒng)使得使用完畢的以及未經(jīng)使用的元器件不能被及時的回收或者再利用，堆放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)造成了實(shí)驗(yàn)室雜亂的現(xiàn)象[4]。

鑒于以上存在的問題，計算機(jī)示范中心力爭在實(shí)驗(yàn)元器件智慧管理方面進(jìn)行改革改善，具體設(shè)計方法如下。

實(shí)驗(yàn)室電子元器件智慧管理系統(tǒng)整體分為前后端服務(wù)器及硬件系統(tǒng)共三個部分，其中軟件部分采用了前后端分離部署的辦法，前端服務(wù)器負(fù)責(zé)頁面生成及與用戶之間的交互，將交互生成的數(shù)據(jù)通過調(diào)用后端API接口轉(zhuǎn)發(fā)給后端。服務(wù)器采用瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，是對客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶界面完全通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)，一部分事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，形成所謂3-tier結(jié)構(gòu)，而且該結(jié)構(gòu)不需要Cookie/Session，與Server完全分離，易于維護(hù)、擴(kuò)展。后端服務(wù)器負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯，權(quán)限控制及提供前端及硬件系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)上傳射頻識別等傳感器經(jīng)過濾所收集到數(shù)據(jù)及執(zhí)行后端服務(wù)器傳入的指令。優(yōu)點(diǎn)在于各個前端可以共用一套后端接口，簡化開發(fā)流程，減少資源浪費(fèi)，一個Server API[5]可以隨意服務(wù)多個Web App開發(fā)上與后臺幾乎同步，互相不影響，特別是基于RESTFul API風(fēng)格，更是減少了溝通的成本前后完全分離，前端開發(fā)者完全不需要關(guān)心服務(wù)端用了什么技術(shù)，只需要一份接口說明文檔即可。

1.2 模型設(shè)定

1.2.1 前端模型

前端采用Web服務(wù)器[6]軟件Apache及基于PHP語言的開源框架ThinkPHP。Apache是Apache軟件基金會的一個開放源碼的網(wǎng)頁服務(wù)器，可以在大多數(shù)計算機(jī)操作系統(tǒng)中運(yùn)行，由于其多平臺和安全性被廣泛使用，是最流行的Web服務(wù)器端軟件之一。前端網(wǎng)頁使用HTML，CSS以及JavaScript作為編程語言，采用JavaScript框架JQuery以及前端開發(fā)工具包Bootstrap進(jìn)行開發(fā)。

1.2.2 后端模型

后端采用C++應(yīng)用程序開發(fā)框架QT進(jìn)行開發(fā)[7]。它可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺工具和服務(wù)器。QT是面向?qū)ο蟮目蚣懿⑶以试S真正地組件編程。該模型向外采用HTTP協(xié)議及Socket接口，采用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；向內(nèi)分為三個部分，即通信部分、管理控制部分與數(shù)據(jù)存儲部分。

1.2.3 硬件模型

硬件采用以stm32開發(fā)板[8]為中心，使用ESP8266網(wǎng)絡(luò)通信模塊作為通信單元，以HTTP作為與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊方式，RC522芯片作為射頻識別芯片進(jìn)行RFID感應(yīng)。分為通信部分、邏輯控制部分、管理部分進(jìn)行構(gòu)建。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)及功能

2.1 前端服務(wù)器設(shè)計

前端服務(wù)器即網(wǎng)頁服務(wù)器分為兩部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其中前端網(wǎng)頁采用了HTML、CSS以及Javascript語言進(jìn)行編寫，后端采用PHP語言的開源框架ThinkPHP，主要用于與用戶以及后端服務(wù)器進(jìn)行交互。其中后端程序主要功能包括：元件取用部分以及元件管理功能，借還功能以及用戶管理功能，實(shí)現(xiàn)了對于元器件的借還管理以及用戶實(shí)名制信息管理等功能，前端網(wǎng)頁部分主要包括用戶登錄注銷、元器件位置智能檢索等功能

2.2 后端服務(wù)器設(shè)計

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器采用基于C++語言的跨平臺開發(fā)框架QT進(jìn)行編寫，向外采用Http協(xié)議及Socket接口進(jìn)行通信連接，采用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；向內(nèi)分為三個部分，即通信部分、管理控制部分與數(shù)據(jù)存儲部分。通信部分采用HTTP請求作為作為QT服務(wù)器與HTTP服務(wù)器的通信方式，采用TCP SOCKET請求作為QT服務(wù)器與客戶端服務(wù)器的通信方式。在后端服服務(wù)器中嵌入了用戶管理模塊以及物品管理模塊兩部分，實(shí)現(xiàn)對用戶和物品的實(shí)時信息管理。并且使用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)信息的記錄。后端服務(wù)器程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 硬件部分設(shè)計

以STM32單片機(jī)為主體，ESP8266芯片為通信模塊，RC522模塊為RFID讀寫模塊。STM32控制電子鎖與用戶交互，通過通信模塊與服務(wù)器進(jìn)行Socket通信。RFID模塊近場讀取器件識別號，也由通信模塊向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并通過指令的下發(fā)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柜門打開。ESP8266芯片采用LUA腳本進(jìn)行編程，使用I2C協(xié)議與STM32單片機(jī)及RC522模塊通信；STM32單片機(jī)采用C語言編程，采用中斷函數(shù)及看門狗保證單片機(jī)的效率和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件調(diào)試

測試使用LoadRunner和Postman在阿里云服務(wù)器ECS環(huán)境[9]進(jìn)行測試。

LoadRunner是一種預(yù)測系統(tǒng)行為和性能的負(fù)載測試工具。通過以模擬上千萬用戶實(shí)施并發(fā)負(fù)載及實(shí)時性能監(jiān)測的方式來確認(rèn)和查找問題，最大限度地縮短測試時間，優(yōu)化性能和加速應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)布周期。

項(xiàng)目使用LoadRunner模擬上線運(yùn)行時服務(wù)器的負(fù)載。將項(xiàng)目部署到阿里云進(jìn)行運(yùn)行，以下為LoadRunner 模擬同一實(shí)驗(yàn)室所有電腦（約50臺）同時訪問時服務(wù)器壓力測試結(jié)果如表1所示，發(fā)包率及收包率對比如圖3所示。通過表格可以看出平均事務(wù)響應(yīng)時間的詳細(xì)信息，在整個事務(wù)中，93%的用戶在進(jìn)行操作時，服務(wù)器相應(yīng)時間均維持在2.5秒左右。其中服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)帶寬平均1.07Mbit/s，CPU平均占用60%，響應(yīng)速度可以滿足項(xiàng)目需求。

Postman是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)頁調(diào)試和API開發(fā)測試的工具。其能夠發(fā)送任何類型的HTTP請求，附帶任何數(shù)量的參數(shù)和請求頭。支持多種認(rèn)證機(jī)制并擁有強(qiáng)大的跨平臺特性。

項(xiàng)目使用Postman進(jìn)行單獨(dú)API接口的性能測試及正確性測試，圖4為對部分通用API接口的測試結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和提高教學(xué)質(zhì)量為宗旨，以實(shí)驗(yàn)元器件管理機(jī)制改革為核心，以實(shí)驗(yàn)資源充分利用為基礎(chǔ)，以高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍和完備的實(shí)驗(yàn)條件為保障，創(chuàng)新元器件管理機(jī)制，利用計算機(jī)輔助教學(xué)的理念，全面提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)室使用效益。

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