通信与电子工程学院
游戏免费源码分享网站毕业设计（论文）调研报告
题目：基于Arduino开放实验室管理系统设计学院：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
2018年3月26 日
一．调研目的
随着教育教学的信息化发展，以信息化带动教育现代化，实现高校由传统高校向现代化高校转变，教学资源的开放化已经成为一种趋势。我国高等教育的发展目标是提高学生综合素质培养创新型的高技术人才。高校实验室是实验教学的承担者，具有较丰富的大型或先进的实验仪器。实验室是整个教学体系的重要组
成部分，可以为培养学生的工程素质和锻炼学生的实践能力提供基地，也为学生开展课外科技活动提供条件。实验室的全面开放将直接为学生提供自主发展和工程实践的平台，能够最大限度地挖掘实验室各种资源的使用潜力，促进实验室仪器设备的有效利用，强化学生实践能力和创新能力，因此，实验室全面向学生开放是高等学校培养适应新世纪国家经济建设与社会发展需要，也是培养具有国际竞争能力的高素质创新型人才的客观要求。但是，开放实验室的成败在于管理。高校实验室在人才培养中占有重要的作用，实验室的水平既体现在实验设备与实验环境等硬件条件，更体现在对其的管理与服务上[1]。
近年来，很多高校根据自己的办学情况进行了实验室教学和管理的改革，尝试并开发了开放实验室管理系统，但大部分管理系统仍采用人工或单机版管理系统完成，日常手工操作的数据信息及数据库数据信息常常出现遗失或被篡改现象，数据信息没有安全保障，管理工作繁杂，效率不高；有些学校的开放实验室管理系统只面向某个专业的学生提供服务，对于跨校区、跨学院、跨专业实验预约则需要填写专门的申请表或通过其他申请方式来进行；有的是只注重学生预约计费管理功能，对于一些综设型、创新型和毕业设计等需要较多时间和仪器的实验，学生常常会因计时计费管理而挫伤其实验的积极性，不利于学生自主实践与创新能力的培养。开放实验教学工作中进行的诸如创新性和研究性开放实验的教学改革和对开放实验室管理的研究，仍然处在不断实践的阶段，研究工作还不够完善和系统[2]。
二．调研方法
1、网上查阅资料法；
2、图书馆各数据库查阅资料法；
3、实地调研法。
三．调研内容
3.1国外发展情况
在上个世纪七十年代末，实验室管理系统开始进入人们的视角，这些早期的实验室管理系统一般是由各个实验室通过软件开发商或是自身的技术支持进行专门定制的，这种系统一般不能通用，仅限于单一类型的实验室使用。这类实验室管理系统由于在重视程度上的不足，导致开放经费和技术支持上都有所欠缺，系统功能普遍单一，系统维护和功能调整比较困难，很难追上实验室本身的变化。此类实验室管理系统在国外已经基本被淘汰，但国内还有少数的应用[3]。
经过一段时间的发展，实验室管理系统进入了发展的第二阶段。在1982 年，基于C/S （用户/服务器）结构的管理系统开始出现。在这个时期，实验室管理系统的功能已经比较完善了，同时也能满足实验室本身经常更新换代的需求，对于系统本身的升级和维护都能比较容易的完成。第二代实验室管理系统的诞生，为实验室管理人员带来了真正意义上的信息化管理系统。不过，这类系统也存在着不可回避的缺点：虽然系统已经比较完善，但是它的功能升级、系统维护都是需要实验室管理系统系统管理员通过编
程的手段进行处理，而普通实验室管理人员并不具备这类技能，而计算机专业出身的实验室管理人员又很少有人能够把握清楚实验室的运行机制，另外计算机类的人才流动性较大，这类人才的流失会造成对实验室管理系统正常运行造成影响。因此，在经过一段时间的使用以后，很多实验室机构都希望能出现一种能够脱离编程技术人员影响的实验室管理系统[4]。
到了二十世纪末，第三代实验室管理系统开始出现。同第二代实验室管理系统相同，这时的实验室管理系统仍然是采用的C/S 结构的系统，但并不需要实验室管理人员使用任何的编程技术就能对实验室管理系统的相关功能进行管理和定制。该类系统通过图形化的手段，使实验室管理系统的设置只需要使用简单的鼠标点击就可完成，任何具有计算机基础知识的人员都能在通过短期的培训后熟练的使用系统进行实验室管理工作，并能按需维护管理实验室管理系统的各种功能。同样的，第三代的实验室管理系统随着时间的推移和新技术的发展，也出现了许多新的问题：一、第三代实验室管理系统一般是采用的局域网进行网络管理，很难推广到广域网或是万维网上进行大规模的使用；二、由于采用的是C/S 的系统模式，导致用户系统在使用时，必须要在本地安装客户端，导致客户端的维护和问题处理的成本较高；
三、由于使用的网络大多是局域网的缘故，很难能够整合不同地点的实验室数据；四、随着智能移动设备的出现，很多人希望能够通过手持设备对实验室进行管理，而第三代实验室管理系统由于系统本身的限制，无法完成这一需求[5]。
在信息化高速发展的过程中，人们对于实验室管理系统改革的需求越来越高，而第四代也就是最新一代的实验室管理系统也在2004年左右出现。新一代的实验室管理系统是基于B/S 结构的系统，它主要扎根于 Internet 之上，克服了第三代实验室管理系统的各种缺点，
很快就成为了实验室管理系统的主流。第四代实验室管理系统具有很多优秀的特点，主要是：一、B/S模式的系统相对于C/S 模式而言，具有管理容易（因为B/S不需要客户端，用户可以通过网络浏览器就能对系统进行访问和操作）、系统维护、功能升级成本低的优势（因为所有的操作和管理都在服务器端进行）二、它是完全基于Internet的，通过Internet的整合，实验室管理系统可以轻易的与其他实验室进行信息数据共享；三、实验室管理人员可以随时随地的通过连接互联网对系统进行操作；四、通过无线上网技术，人们也可以通过手持设备对实验室管理系统进行访问和管理，这将为不在实验室的管理人员能够便利的了解实验室当前状况[6]。
3.2国内发展情况
国内开放实验教学的研究工作基本上起步于上世纪 90 年代，起初在一些重点高校中开展，之后，有些高校或软件公司也陆续开发了开放实验室管理系统，多数基于B/S架构开发，有的已可以面向全校师生提供开放性实验信息，但一般都是只面向某个专业的学生提供服务，对于跨校区、跨学院、跨专业实验预约则需要填写专门的申请表或通过其他申请方式来进行，有的是只注重学生预约计费管理功能，但对
于一些综设型、创新型和毕业设计等需要较多时间和仪器的实验，学生可能因计时计费管理而挫伤其实验的积极性，不利于学生自主实践与创新能力的培养[7]。
总之，尽管目前国内各高校都越来越重视实验室的开放，越来越重视开放实验室管理系统的开发，但某些高校在开放实验教学工作中进行的诸如创新性和研究性开放实验的教学改革和对开放实验教学的研究，仍然处于不断实践的阶段。另外，高校仪器设备依然不同程度存在着管分散封闭、开放程度不够、利用率偏低、使用效益差的状况，大型仪器设备缺乏科学有效管理和使用共享。因此，对于高校开放实验室的管理，无论是开放实验体系建设的理论研究方面，还是具体学科的开放实验教学方面都还有许多问题亟待解决[8]。
3.3技术可行性
Arduino是一个基于开放源代码的软硬件平台。该平台由硬件和软件两部分组成，它实际上是一个小而完善的微型计算机系统，这套系统采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU，以及随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、模拟及数字 I/O 接口和中断系统等多功能电路集成到一块芯片上。Arduino的最大特点就是价格便宜并且好用，我们可以在普通计算机上通过Arduino 的开发环境编写程序并编译成功之后，就可以将文件下载到Arduino系统板上的微控制器中，使 Arduino系统能够通过各种传感器来感知环境的变化，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了，Arduino也就能按照我们编写的程序执行相应的操作，实现我们需要的功能[9]。
Arduino的主要功能特点如下[10]：
1、开放源代码的电路图设计程序开发接口免费下载也可依需求自己修改。
2、使用低价格的微处理控制器ATmega8或ATmega128 可以采用USB接口供电不需外接
电源也可以使用外部9VDC输入。
3、支持ISP 线上烧入器将Bootloader固件烧入芯片。Arduino控制器内带Bootloader 程序，是系统上电后运行的第一段代码，就好比PC机BIOS中的程序，启动就进行自检、配置端口等等，当然，单片机是靠烧写熔丝位来设定上电从boot区启动的，使用这个程序就可以直接把从串口发来的程序存放到flash 区中。所以使用Arduino编译环境下载程序时就先让单片机复位，启动Bootloader程序引导串口发过来的程序顺利写入flash区中，flash可以重复烧写因此想更新软件非常方便。有了Bootloader之后，可以通过串口或者USB to RS232线更新固件。
4、可依据官方提供的PCB和SCH电路图，简化Arduino模组完成独立运作的微处理控制。
5、可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接如红外线、超音波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等。
6、支持多样的互动程序，如Flash、Max/MSP、VVVV、PureData、C、Processin 等，使用低价格的微处理控制器[11]。
7、应用方面利用Arduino突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。
Arduino的功能特点使其得到了越来越广泛的应用。
3.4社会可行性
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的arduino 板）和软件（arduino IDE)。它适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境[12]。
3.5Arduino Uno 开发环境简介
Arduino Uno是2011年9月25日在纽约创客大会(New York Maker Faire)上发布的。型号名字Uno是意大利语中“一”的意思，用来表达Arduino软件的1.0版本，即Uno Punto Zero(意大利语的“1.0”)。目前上已经出到Arduino Uno R3，即第三版[13]。
1．微处理器：ATmega328微处理器，片内包含32KB Flash（0.5KB由BootLoader使用），2KB SRAM，1KB EEPROM，运行时钟频率为16MHz。
2．USB接口：与电脑连接，用于从电脑中下载程序，同时给Uno单板供电[14]。
3．外接电源：当Uno脱离电脑独立运行时，用来给装置供电，一般使用9V电池供电即可。
4．电源管脚，地：可输出5V，3.3V；也可以通过Vin给整个装置供电。
5．模拟输入：6个模拟输入，提供10-bit的解析度（0-1023）[15]。

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