本发明公开的一种基于云平台的智慧实验室管理系统，包括设置在实验室设备上的RFID电子标签、设备适配器、云服务器、移动终端，以及设置在设备适配器表面的二维码；所述设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中，设备适配器包括单片机，还包括分别与单片机连接的RFID读写器、通信单元、电量采集单元、继电器，电量采集单元、继电器串接在实验室设备的供电线缆中。该发明的管理系统及方法，可以轻易将普通的实验室改造成智慧实验室，并且不涉及到基建等事宜，简单、方便。
1.一种基于云平台的智慧实验室管理系统，其特征在于：包括设置在实验室设备上的RFID电子标签、设备适配器、云服务器、移动终端，以及设置在设备适配器表面的二维码，该二维码与设备适配器一一对应；所述设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中，设备适配器包括单片机，还包括分别与单片机连接的RFID读写器、通信单元、电量采集单元、继电器，电量采集单元、继电器串接在实验室设备的供电线缆中；其中RFID读写器用于扫描RFID电子标签，通信单元用于设备适配器与云服务器之间的通信，移动终端用于扫描二维码并将用户信息及适配器唯一识别码上传至云服务器；
RFID读写器扫描于设置在实验室设备上的RFID电子标签，并将扫描得到的实验室设备唯一识别码传输给单片机，单片机接收到该信息后控制继电器闭合，供电线缆开始为实验室设备供电；同时单片机控制电量采集单元采集供电线路中的电流；
单片机通过通信单元每隔时间T将数据打包传输给云服务器；所述数据包括实验室设备唯一识别码、采集的电量、单片机的芯片编号；
用户通过移动终端扫描设置在设置在设备适配器表面的二维码得到设备适配器唯一识别码；移动终端将用户信息及适配器唯一识别码上传至云服务器；
管理者从云服务器中可以实时查阅实验室设备工作情况以及对应的用户。
2.根据权利要求1所述基于云平台的智慧实验室管理系统，其特征在于：所述二维码由单片机的芯片编号生成；所述RFID电子标签由实验室设备的序列号生成。
3.根据权利要求1所述基于云平台的智慧实验室管理系统，其特征在于：所述通信单元为Zigbee模块，Zigbee模块通过Zigbee网络服务器、以太网与云服务器保持通信。
4.根据权利要求1所述基于云平台的智慧实验室管理系统，其特征在于：所述移动终端包括智能手机、平板电脑。
5.根据权利要求1所述基于云平台的智慧实验室管理系统，其特征在于：所述电量采集单元为电流传感器。
6.基于权利要求1至5任一权利要求所述基于云平台的智慧实验室管理系统的一种基于云平台的智慧实验室管理方法，包含以下步骤：S1、将设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中，设备适配器包括单片机，还包括分别与单片机连接的RFID读写器、通信单元、电量采集单元、继电器，电量采集单元、继电器串接在实验室设备的供电线缆中；
S2、设备适配器通电后，所述通信单元与云服务器建立通讯；
S3、RFID读写器扫描于设置在实验室设备上的RFID电子标签，并将扫描得到的实验室设备唯一识别码传输给单片机，单片机接收到该信息后控制继电器闭合，供电线缆开始为实验室设备供电；同时单片机控制电量采集单元采集供电线路中的电流；
S4、单片机通过通信单元每隔时间T将数据打包传输给云服务器；所述数据包括实验室设备唯一识别码、采集的电量、单片机的芯片编号；
S5、用户通过移动终端扫描设置在设置在设备适配器表面的二维码得到设备适配器唯一识别码；移动终端将用户信息及适配器唯一识别码上传至云服务器；
S6、管理者从云服务器中可以实时查阅实验室设备工作情况以及对应的用户。
7.根据权利要求6所述基于云平台的智慧实验室管理方法，其特征在于：所述实验室设备唯一识别码为设备序列号；所述设备适配器唯一识别码为单片机的芯片编号。
8.根据权利要求6所述基于云平台的智慧实验室管理方法，其特征在于：所述通信单元为Zigbee模块，Zigbee模块通过Zigbee网络服务器、以太网与云服务器保持通信。
9.根据权利要求8所述基于云平台的智慧实验室管理方法，其特征在于：所述设备适配器通电后，Zigbee模块与Zigbee网络服务器自组成网，单片机通过Zigbee模块每隔时间T将将数据打包传输给Zigbee网络服务器；所述数据包括实验室设备唯一识别码、采集的电量、单片机的芯片编号；Zigbee网络服务器接收到数据包后，再添加网络服务器编号入数据包，通过WIFI或网口上传至云服务器。
一种基于云平台的智慧实验室管理系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及实验室智慧化管理领域，特别涉及一种基于云平台的智慧实验室管理系统及方法。
背景技术
[0002] 目前实验室智慧化主要指门禁、空调、电源插座等用电设备实现自动控制与实验室的监控，但作为实验室的主体实验箱、仪器设备等的工作状况、使用频率等管理部门无从得知，且对仪器设备的日常维护和损耗维修依然停留在纸质记录和人工管理的方式上，缺乏布局上的整体性和连贯性。另外，学生实验课的考勤也是主要通过点名册进行，因而，实验室设备的管理、学生的考勤主要还有以下问题需要解决：
[0003] (1)设备管理非自动化。教学仪器和设备分布离散、管理难度大、无专人管理和保养等；信息获取被动，存在空间障碍，对设备数量和种类繁多的实验室，管理人员难以准确快速定位、跟踪设备使用和维护。
[0004] (2)仪器与使用者对应的非智能化。参与实验的学生使用了什么类型的仪器，仪器设备在使用过程中是否出现问题或是否出现人为损坏的现象，实验室管理人员无从追踪，很难将仪器设备和参与实验的学生一一对应。
[0005] (3)学生考勤的非电子化。多数教师在课堂上仍然是通过纸质的点名册或Excel点名册对学生进行考勤，而没有做到学生进入课堂时自动记录或学生在使用设备时自动记录参与实验的学生姓名并与学号等自动关联起来。
[0006] (4)数据管理的非云平台化。各个实验室设备使用情况、学生出勤情况等大量数据仍然掌握在各个任课老师手中，并没有上传到云平台上，使得实验室的上级管理部门(如设备处)或学生的上级管理部门(如教务处)等无法实时得知这些数据。
[0007] 上述四点表明实验室设备与仪器的管理仍然仅停留在人工管理阶段，尚未达到智慧化。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于云平台的智慧实验室管理系统。
[0009] 本发明的另一目的在于提供一种基于云平台的智慧实验室管理方法。
[0010] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：
[0011] 一种基于云平台的智慧实验室管理系统，包括设置在实验室设备上的RFID电子标签、设备适配器、云服务器、移动终端，以及设置在设备适配器表面的二维码，该二维码与设备适配器一一对应；所述设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中，设备适配器包括单片机，还包括分别与单片机连接的RFID读写器、通信单元、电量采集单元、继电器，电量采集单元、继电器串接在实验室设备的供电线缆中；其中RFID读写器用于扫描RFID电子标签，通信单元用于设备适配器与云服务器之间的通信，移动终端用于扫描二维码并将用户信息及适配器唯一识别码上传至云服务器。
[0012] 设备适配器留有一路220VAC电源输入端口和一路电源220VAC输出端口，电源输出端口由一个继电器独立控制，实现该路供电的通、断，以此来实现设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中。
[0013] 所述二维码由单片机的芯片编号生成。因为每个设备适配器内的单片机的芯片编码是唯一的，通过芯片编码生成的二维码，能够实现二维码与设备适配器一一对应。
[0014] 所述RFID电子标签由实验室设备的序列号生成。实验室设备的序列号生成的RFID电子标签与实验室设备一一对应。
[0015] 所述通信单元为Zigbee模块，Zigbee模块通过Zigbee网络服务器、以太网与云服务器保持通信。
[0016] 所述移动终端包括智能手机、平板电脑。移动终端中安装有APP，经过管理人员授权，用户在app中通过用户编号(学号)、姓名、手机号码注册成功后，使用app扫描设置在设备适配器上的二维码，并发送给云服务器；管理者从云服务器中得到的二维码信息(单片机芯片编号)将设备、使用者、设备使用的电量等信息关联起来，实现谁在什么时间使用什么设备的信息关联，自动在点名册中标记学生出勤情况。
[0017] 所述电量采集单元为电流传感器。根据电量数据判决设备适配器通电后，设备有无通电，即设备的使用状态。
[0018] 本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
[0019] 一种基于云平台的智慧实验室管理方法，包含以下步骤：
[0020] S1、将设备适配器串接于实验室设备的供电线缆中，设备适配器包括单片机，还包括分别与单片机连接的RFID读写器、通信单元、电量采集单元、继电器，电量采集单元、继电器串接在实验室设备的供电线缆中；
[0021] S2、设备适配器通电后，所述通信单元与云服务器建立通讯；
[0022] S3、RFID读写器扫描于设置在实验室设备上的RFID电子标签，并将扫描得到的实验室设备唯一识别码传输给单片机，单片机接收到该信息后控制继电器闭合，供电线缆开始为实验室设备供电；同时单片机控制电量采集单元采集供电线路中的电流；
[0023] S4、单片机通过通信单元每隔时间T将数据打包传输给云服务器；所述数据包括实验室设备唯一识别码、采集的电量、单片机的芯片编号；
[0024] S5、用户通过移动终端扫描设置在设置在设备适配器表面的二维码得到设备适配器唯一识别码；移动终端将用户信息及适配器唯一识别码上传至云服务器；
[0025] S6、管理者从云服务器中可以实时查阅实验室设备工作情况以及对应的用户。
[0026] 时间T为定时时间，可以根据需要设置。
[0027] 所述实验室设备唯一识别码为设备序列号。
[0028] 所述设备适配器唯一识别码为单片机的芯片编号。
[0029] 所述通信单元为Zigbee模块，Zigbee模块通过Zigbee网络服务器、以太网与云服务器保持通信。
[0030] 所述设备适配器通电后，Zigbee模块与Zigbee网络服务器自组成网，单片机通过Zigbee模块每隔时间T将将数据打包传输给Zigbee网络服务器；所述数据包括实验室设备唯一识别码、采集的电量、单片机的芯片编号；Zigbee网络服务器接收到数据包后，再添加网络服务器编号入数据包，通过WIFI或网口上传至云服务器。
[0031] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0032] 在实验室现有的仪器设备上加装RFID电子标签，使用带有读卡器的设备适配器作为设备供电线路，可以轻易将普通的实验室改造成智慧实验室，并且不涉及到基建等事宜，简单、方便。
[0033] 相对于传统的类似于智能家居系统的实验室，仅是监控实验室内的温湿度等常规参数、控制实验室内空调、灯管、风扇、门的工作状态，基于云平台的实验室设备智慧化系统不仅包含了上述功能，还将设备的使用者与设备关联起来，并记录设备的工作状态，自动记录使用者所使用的仪器设备，实现了自动考勤。设备使用数据被上传到云平台，供设备的上级管理部门实时了解设备的工作状态、使用频率等信息，供学生的上级管理部门实时掌握学生的出勤数据，简化了设备的管理者记录仪器设备工作状态、记录学生出勤情况等相关工作。
附图说明
[0034] 图1为本发明所述一种基于云平台的智慧实验室管理系统的结构示意图。
[0035] 图2为图1所述基于云平台的智慧实验室管理系统的Zigbee模块的电路图。
[0036] 图3为图1所述基于云平台的智慧实验室管理系统的云服务器的结构框图。
[0037] 图4为图1所述基于云平台的智慧实验室管理系统的移动终端的操作界面。
具体实施方式
[0038] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0039] 一种基于云平台的智慧实验室管理系统包括硬件和软件两部分。硬件主要包括RFID电子标签、设备适配器(主要包括RFID读写器、电量采集模块、单片机、继电器、zigbee模块)、zigbee网络服务器等。软件主要包括云服务器(如图3所示)、手机客户端app(如图4所示)、PC客户端等3部分。
[0040] 系统结构框图如附图1所示。设备适配器的核心部件是RFID读卡模块、电量采集模块、单片机、继电器通断电控制模块和zigbee通信模块。设备适配器留有一个220VAC电源输入端口和一个220VAC电源输出端口，电源输出端口由继电器控制，实现该路供电的通、断。此外，设备适配器模块外壳上贴有二维码，每个读卡器供电模块对应一个独立的二维码，该二维码信息为系统内单片机芯片编号。
[0041] 实验设备的表面或内部安装有RFID电子标签，用户在实验前首先随机取用实验箱或仪器放在某一个试验台上，通过设备适配器中的RFID读卡模块读取实验箱或仪器的RFID标签信息，设备适配器通过zigbee模块将电子标签和设备适配器的关联信息发送给按照在实验室的zigbee网络服务器，同时控制继电器接通电源，通过供电模块表面的指示灯指示，并启动电量统计模块进行电量统计，以便计算设备的工作时长。此后用户通过手机客户端app扫描读卡器供电模块表面的二维码进行登记并记录到实验室服务器中。实验箱的标签信息、读卡器供电模块的二维码信息、手机app的登记信息、电量统计模块的电量信息在实验室服务器中进行关联、融合，将使用者、设备及设备的工作状态、读卡器供电模块(实验台)关联起来，并通过上位机软件自动在电子点名册中标记。
[0042] 设备适配器模块的电路图如附图2所示。主要包括RFID读写器、电量采集单元、单片机、继电器、zigbee模块和电源模块组成。
[0043] RFID读写器是由单片机控制，并驱动天线对Mifar卡也就是应答器(PICC)进行读写操作。RFID读写器模块采用Philips公司的一款非接触式低功耗读写基站芯片MF RC522,它属于应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡芯片系列。该读卡芯片系列完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触式通读方式和协议。MF RC522支持ISO14443A所有的层,传输速度最高达424kbps,内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离天线,接收部分提供了一个坚固而有效的解调和解码电路,用于接收ISO14443A兼容的应答信号。数字处理部分提供奇偶和CRC检测功能。RC522具有三种接口方式可方便地与任何MCU通讯:SPI模式、UART模式、I2C模式。
[0044] RC522的天线接口包括：VMID(脚16)、TX1(脚11)、TX2(脚13)、RX(脚17)。从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。内部接收电路利用卡的响应信号在副载波的双边带上都具有调制这一功能进行工作。使用MFRC522内部产生的VMID信号作为RX引脚输入信号的偏置。为了稳定VMID输出，需在VMI和GND之间连接一只电容C5。接收电路需在RX和VMID之间连接一分压电路(R15，R16)。L4、L5、C24、C25构成EMC低通滤波器，C20、C21、C22、C23构成天线匹配电路。
[0045] MCU选用STC11F32X大大简化了单片机硬件电路的设计。除了具有开发简单优点外,STC11F32X集成的看门狗功能可以保证系统在一定的时间内如果工作不正常时将MCU复位使其重新工作，另一方面STC11F32X内部的SPI和UART通讯接口可以方便地和MF RC522实现多种通讯方式,满足了各种情况的需要。再者,STC11F32X还拥有满足系统存储所需足够大小的内部Flash,而无需外接存储设备。
[0046] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
