作者　曾慶杰 莫長江 許棠 梁啟文 龍世瑜 嶺南師范學院 信息科學與技術學院(廣東 湛江 524048)

摘要：針對本學院開放實驗室的人力管理上的不足，設計了網絡化電源控制的開放實驗室管理系統。該系統主要通過使用Delphi、UniGUI、SQLSERVER相關技術建立中心機房服務器，同時使用Delphi 10 Seattle開發開放實驗室嵌入式安卓網關，實現和讀卡模塊與Zigbee網絡的串口通信，從而控制每一個Zigbee終端的交流接觸器動作，最終達到利用學生一卡通實現RFID考勤智能化管理與學生質量跟蹤等功能。

1 開放實驗室的重要性

　　學生作為教學工作的主體，特別是在電子學科的教學實踐中，實踐與工程創新能力的培養與提高對學生而言尤為重要^[1]。傳統的實驗教學存在著許多的不足之處，如過多的驗證性實驗，只能在預設的時間段內進行等，雖然普及面廣，但不利于提高部分學有余力的學生進行創新性的實驗，抑制了這部分學生的創造力。因此，建立開放式學生創新實驗室，讓學生能在課余時間繼續進行實驗與科技制作，實現多方共贏。

2 網絡化開放實驗室的系統設計

　　網絡化主要是利用電子信息技術和網絡技術的結合^[2]，對電子學科開放實驗室學生遴選、考勤、工程實踐活動做全程監控跟蹤。

　　2.1 推進網絡化開放實驗室的初衷

　　傳統的開放實驗室較常見的局面是提供一個集中的場所，給部分學生進行課外的學習研究，配備一個兼職的老師進行簡單的協調管理。這種情況下，會增大實驗室的管理難度，并可能存在安全隱患。如果疏忽，容易造成儀器丟失或者用電不規范，也容易造成火災等險情。同時，也存在對于學生的跟蹤培養缺失的問題。一方面，學生的自主學習研究是主要的，另一方面，指導教師的介入不足，不能了解學生各方面的情況，針對性的工作無法得出對策^[3]。

　　2.2 網絡化開放實驗室的架構與功能

　　為了解決以上的幾個突出問題，本文設計了一套網絡開放實驗室管理系統，圖1為系統的框架結構圖。

　　由圖1可知，系統分三層：服務器層、安卓網關中間層和Zigbee網絡^[4]執行層。WEB服務器層通過互聯網與安卓網關交換信息^[5]，安卓網關層則由Zigbee網絡協調器發送控制命令給每個座位上的終端控制盒(包含Zigbee路由器、核心控制板與交流接觸器等主要部件)去執行通斷電動作。

3 服務器層

　　邏輯上有WEB服務器、SQLSERVER^[6]數據庫服務器和DataSnap^[7]服務器，但物理上同在一臺PC上，該服務器設置在學校的中心機房中，建立SQLSERVER數據庫表，用于保存學生與教師的個人信息，而WEB服務器則利用Delphi+UniGUI技術開發，IIS發布。最后使用DataSnap^[8]技術，FireDAC數據庫通信組件開發服務器中間件與安卓網關通信。

　　3.1 SQLSERVER數據庫數據結構

　　系統采用SQLSERVER數據庫服務器，通過建立數據庫與數據表實現系統功能。最主要有學生信息表1，座位使用登錄表2等。

　　系統通過建立包含上述兩個核心表與其它更多的關系表，編寫存儲過程，提供給DELPHI編寫的WEB程序調用。

　　3.2 Delphi+UniGUI開發WEB服務器程序

　　Delphi是一款優秀的可視化編程工具，而UniGUI框架^[9]拓展了Delphi的使用范圍，可簡單地按照傳統的桌面程序的思維去實現WEB網站的功能。Delphi結合UniGUI的特性，可開發出效率高、使用友好的開放實驗室WEB管理網站。

　　WEB服務器管理系統，功能包括：

　　(1) 后臺設置功能;

　　(2) 學生刷卡登錄查詢功能;

　　(3) 學生工程實踐材料上傳功能;

　　(4) 學生報名遴選進入開放實驗室功能。

　　這些功能通過IIS提供服務，并且可由處于網絡中的任何終端計算機進入訪問頁面，完成上述功能。其中學生登陸查詢界面截圖如圖2所示。

4 安卓網關中間層

　　圖1中的安卓嵌入式開發板有若干串口，用于連接RFID讀卡模塊與Zigbee協調器模塊。板上的安卓程序則使用Delphi 10 Seattle開發Android APP[10]，利用網絡連接WEB服務器與數據庫服務器，獲取學生的信息后，當學生刷校園一卡通時，串口上傳數據到安卓開發板，可進行綁定操作，完成綁定后，通過串口發送某座位電源開電信號給Zigbee協調器，通過Zigbee網絡把命令送到指定的桌號上的Zigbee路由器，完成對交流接觸器的閉合操作，而斷電的過程類似。

　　4.1 安卓APP串口讀寫

　　Delphi 10 Seattle開發安卓串口，需要利用串口控件“Comport for Android”，執行安裝后位于System頁，名為TAcomport^[11]，系統使用控件版本為1.7，安裝后如圖3所示。

　　對串口的操作，以寫名為rfidport(TAComport類)串口控件為例(用于讀寫RFID串口模塊)，BaudRate、Databits、Stopbits、DeviceName屬性對應串口波特率、數據位、停止位、串口號，需與RFID模塊上的設置一致方能正常通訊。程序中寫串口的核心代碼如下：

　　Var

　　bufOut:array of Byte;

　　Begin

　　setlength(bufOut,5);

　　bufout[0]:=$aa;bufout[1]:=$bb;bufout[2]:=$02;bufout[3]:=$20;bufout[4]:=$22;

　　rfidport.ClearInput;

　　rfidPort.write(bufout,length(bufout),true);

　　End;

　　數組bufOut中，$aa、$bb、$02、$20、$22為從RFID模塊獲取卡地址的命令幀，如果成功，將返回卡的32位物理地址，讀取該返回使用“bufin:=rfidport.read”語句，可拆分bufin數組的具體內容獲得卡信息。特別注意的是Read方法是阻塞型函數，如果不加定時控制，一旦串口設備沒有返回，程序將停止運行，等待到有返回為止。因此，處理這種情況有兩種方法：用定時器控制或者使用多線程編程^[12]。

　　在程序部署到安卓開發板后，因為要調用開發板底層硬件串口，還面臨一個root權限問題，在系統中，調用“QAndroid.Shell”文件后，加入以下程序段：

　　Fshell.Initliaize;

　　if FShell.AskForRoot then

　　begin

　　FShell.Execute('chmod 777 /dev/ttyS3',5000);

　　FShell.Execute('chmod 777 /dev/ttyS4',5000);

　　end;

　　從而取得ttyS3、ttyS4兩個串口的讀寫權限，完成程序初始化啟動。

　　4.2 安卓網關流程圖

　　安卓網關流程圖如圖4所示。

　　安卓網關采用了帶多串口的Android開發板，其中一個串口與RFID模塊通訊，另一個串口與Zigbee協調器通訊，進行對特定實驗桌進行通電與斷電操作。除此之外，還具備客戶端設置實驗室功能，另外在網絡不通的情況下，對實驗桌進行全體開電、全體斷電的功能。圖5為安卓開發板程序初始化后的主界面。

5 Zigbee網絡

　　協調器在通電之后，會進行信道掃描，以便查找附近是否還有別的Zigbee網絡。如果協調器發現在同一信道中有別的Zigbee網絡存在(以PAN ID為判斷依據)，則改變自身PAN ID后重新進行掃描，組建新的Zigbee網絡。協調器的這一特性也注定了在一個網絡之中有且只有一個協調器，協調器在組建完成網絡之后便和普通的路由器功能一致了。

　　而路由器在網絡中起著非常關鍵的作用。Zigbee自組織、自修復、拓撲網絡結構等無一不是通過路由來實現的。

　　終端節點是Zigbee實現低功耗，它的組網功能和路由是一樣的。不同的是終端并不是時刻都處在接收狀態的，大部分情況下，它都將處于IDLE或者低功耗休眠模式。它會定時同自己的父節點進行通信，詢問是否有發給自己的消息，這個過程被形象地成為“心跳”。

　　基于可靠聯網的考慮，不采用微功耗，因此沒有采用終端節點模塊，而是采用了有路由功能Zigbee路由模塊，更有利于增強Zigbee自組網網絡的魯棒性。

　　設置Zigbee協調器與路由器的PAN ID為同一個數，使得它們在同一個Zigbee網絡內，并針對Zigbee路由器安裝在不同的實驗桌上，對其地址進行相應的編碼，以區分不同的客戶端。

　　每個座位(桌號)都對應一個Zigbee網絡執行層，即控制盒終端，由不同地址的Zigbee路由、交流接觸器、穩壓電源等電路構成，用于接收Zigbee協調器發來的命令，控制交流接觸器的通斷，達到刷卡開關對應座位電源的目的。Zigbee網絡采用如下數據幀進行遠程 I/O 控制協議^[13]如表3所示。

　　其中，目標地址為FFFF，表示所有節點廣播，其余特指某一點。

　　例如：AA FF FF CC FC 00 00 EA 01 01 FE FE FB 表示將網絡內所有設備的P0.1 口設置為高電平，電路圖的連接設計如圖6所示。

　　圖6中，線路從KT2接線柱引入到核心控制板(Core Control Board)，核心控制板通過控制接觸器(KM)的通斷，選型為NCH8-20/20，并最終輸出到KT1接線柱，完成對座位電源的控制。特別注意，核心控制板的控制線圈輸出必須接一個電阻電容并聯，用于滅弧，否則，實驗過程中會產生核心控制板中Zigbee單片機的死機現象。

　　圖7為核心控制板的原理圖設計。220 V市電從P1接口接入，經過220 V轉3.3 V的AC/DC模塊后，供電給Zigbee路由器，并制定P1.0為輸出引腳，接三極管控制中間繼電器，接通或斷開外部交流接觸器的控制線圈，使系統正常工作。

6 結論

　　高等院校開放實驗室可通過該系統可進行學生登入和登出時間記錄，并衍生出了多項附加實用功能，如可進行學生網上報名^[14]，遴選進入開放實驗室的功能，做到無紙化辦公，資料保存完備。還可對學生的培養質量過程進行監控，獲得學生的階段性工程實踐成果。

　　RFID，Android等網絡技術應用日新月異，在各個方面都獲得了大量的應用，而結合電子開放實驗室，實現網絡化電源控制管理，可大大提高學生的學習熱情與教師的工作效率，作用比較明顯^[15]。實踐證明，既可把實驗技術人員從繁雜的事務中解放出來，又可用有效的現代的方法掌控與管理并規范學生的行為等。可對進行系統的優化升級，惠及更多的實驗室、更多的學生，最終達到培養有競爭力的學生的目的。

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第6期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。