基于UML的实验室多模式自动预约系统设计

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　　摘  要： 由于傳统实验室预约系统缺少移动客户端，导致预约效果差。为满足高效预约效果，设计基于UML的实验室多模式自动预约系统。在应用表达层中利用后台SQL Server 2000数据库B/S结构模式，设计手机客户端，保证客户端能够脱机预约。依据业务流程，通过自动预约控制电路达到不同人员预约的目的。采用P89C669型号单片机设计以太网通信服务器，为数据层提供更大存储空间。数据层采用根节点与边之比为1[∶]1方式，实现数据集中控制。利用UML建立的实验实训预约顺序，设计数据库安全存储功能，通过单片机串口向GSM发送AT指令进行短信息接收与发送，依据自动预约流程完成自动预约系统设计。由实验结果可知，所设计系统最高预约效果可达到97%，具有实际应用价值。
　　关键词： 自动预约系统; 手机客户端设计; 脱机预约; 服务器设计; 数据集中控制; AT指令发送
　　中图分类号： TN02?34; TP311                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）07?0173?05
　　Design of UML?based multi?mode automatic reservation system for laboratory
　　ZENG Jing1， WU Gexin2， HUANG Zhifang3
　　（1. Hubei Engineering University， Xiaogan 432000， China;
　　2. School of Information Management， Central China Normal University， Wuhan 432100， China;
　　3. Institute of Education， Hubei University， Wuhan 432100， China）
　　Abstract： According to the performance analysis of the traditional laboratory reservation system， the lack of mobile client leads to poor booking effect. In order to meet the high efficiency booking effect， a multi?mode automatic booking system based on UML is designed for laboratory. In the application expression layer， the B/S structure mode of the background SQL Server 2000 database is used to design the mobile client to ensure that the client can make an offline reservation. According to the business process， the automatic reservation control circuit is used to achieve the purpose of different personnel reservation. The Ethernet communication server is designed with P89C669 MCU， which provides more storage space for data layer. In data layer， the ratio of root node to edge is 1[∶]1， which realizes data centralized control. The UML is adopted to establish the order of experiment and training reservation， and design the database security storage function. The AT instructions are sent to GSM through the serial port of single chip computer to receive and send short messages. According to the automatic reservation process， the design of the automatic reservation system is completed. The experimental results show that the maximum reservation effect of the system can reach 97%. It has a practical application value.
　　Keywords： automatic reservation system; mobile client design; offline reservation; server design; data centralized control; AT instruction issue
　　0  引  言 　　实验室是高校实验课程教学的基础，负责实验教学与校内模拟学习的重任。在20世纪70年代末出现了第一代实验室预约系统，随着校园网不断完善，引入互联网技术，实验室预约系统正在蓬勃发展[1]。实验室不仅能最大限度地减少工作人员的工作量，还能提高实验室设备使用效率，然而学生对于实验室预约提出了更高要求。目前，各大高校除了具备常规实验室外，还建设了一系列实训中心，该中心除了进行常规教学外，还存在闲置设备，因学生个体化差异，部分学生无法得到合理实验时间。依据很多高校对开放型实验室的要求，原本只针对教师开放的实验室，现在对学生也进行预约开放，为了充分利用实验室资源，本文提出了基于UML的实验室多模式自动预约系统[2]。
　　以UML建模语言为基础，融入软件工程新思想，其作用域不再局限于实验室预约系统分析，还可依据学生需求从硬件到软件进行开发设计，使实验室设备得到充分利用。
　　1  系统平台实现
　　以往实验室预约系统流程复杂、效率较低，学生每完成一次实验室预约流程需经过如下步骤：学生预约→管理人员查看所有预约信息→做出预约安排→管理人员对预约情况回复→学生查询预约结果[3]。通常实验室工作人员只会在固定时间对查询情况进行总结，而学生接收到预约结果信息也需要2～3天[4]。因此，为了提高预约效率，在系统平台中添加手机客户端，有利于提高实验室预约服务水平。
　　实验室多模式自动预约系统中学生、教师和实验室管理人员之间的关系如图1所示。
　　依据上述关系，设计由客户端、内部局域网、服务器构成的系统，其结构是面向服务体系进行设计的，实验室多模式自动预约系统结构如图2所示。
　　如图2所示，该系统结构是由应用表达层、业务流程层、服务层和数据层组成的。
　　1） 应用表达层
　　应用表达层是用户接口部分，可与业务流程层进行信息交互。利用后台SQL Server 2000数据库B/S结构模式，通过不同客户端调用服务，经过业务逻辑编排可实现访问控制[5]。该层次为系统提供了最终界面，保证系统能够接收用户请求。
　　通过自定义协议、公共协议设计手机客户端，除了浏览器和服务器外，还需设计一个纯客户端[6]。客户端与服务器相对应，为客户提供本地服务程序，通常安装在用户移动设备上，需要与服务端相互配合运行[7?9]。手机客户端可通过在客户机上写一些程序，保证服务器出现故障时，客户端依然能够正常工作，实现脱机预约。
　　2） 业务流程层
　　业务流程层是应用表达层和数据访问层的中心层次，负责系统业务处理，系统中所有逻辑关系都体现在该层次中[10]。业务逻辑主要包括两部分：用户权限管理，用户按照所授权限预设业务流程处理相关业务[11]。该层次由管理员模块、教师模块和学生模块组成，如图3所示。
　　依据图3可知，教师模块和学生模块都只是针对个人需求进行实验室预约，而管理员模块是汇总这两个模块全部信息进行相应时间安排[12]。因此，在该情况下，设计自动预约控制电路如图4所示。
　　开关（1）在电路中连接服务层单片机接口，当电平较低时，整个电路处于工作状态，集电极输出高电平触发可控硅[N2]，使[R1]得电闭合，与继电器[R2]形成闭合电路，达到教师预约目的[13]。
　　开关（2）连接服务器单片机另一接口，当电平较低时，同样触发可控硅[N2]，使继电器[R2]线圈得电，此时需断开电源，达到学生预约目的。
　　开关（3）无需预约时间，随时使用，达到实验室工作人员管理的目的。
　　3） 服务层
　　服务层在操作系统服务基础上对数据进行管理，为业务逻辑层提供标准化访问接口。通过分析设计目标特有性能，采用嵌入式以太网通信服务器，采取如图5所示架构。
　　采用某公司生产的P89C669的芯片8位单片机，自带96 KB的FLASH，执行速度是标准80C51器件2倍，网卡芯片选择RTL8019AS局域网处理芯片，能够满足数据量存储要求，保证MCU具有足够数据堆栈运行到嵌入式系统程序之中。网络芯片1负责与上位机通信，是系统上联接口;网络芯片2负责与下位机通信，是系统下联接口;SRAM静态随机存取存储器用来扩展数据库，为数据层提供存储空间。
　　4） 数据层
　　采用大型数据库实现对数据存储与处理，通过使用SQL Server数据库，为业务逻辑层提供数据访问统一接口。采用层次结构模型建立的数据库，实质上是一种有根节点的定向有序树，实验室管理人员为根节点，教师和学生为枝节点，根节点与枝节点之间的联系为边，即根节点与边之比为1[∶]1，一个根节点可具有多个边，表示一个管理人员可同时处理教师和学生预约信息，实现数据集中控制，保持数据一致性和可维护性，确保数据安全与可靠。
　　依据实验室多模式自动预约系统中学生、教师和实验室管理人员之间的关系，设计实验室多模式自动预约系统，该系统包括应用表达层、业务流程层、服务层和数据层。其中，应用表达层设计手机客户端，保证服务器出现故障时，客户端依然能够正常工作，实现脱机预约;业务流程层由管理员模块、教师模块和学生模块组成，通过自动预约控制电路，达到不同人员预约的目的;服务层为业务逻辑层提供标准化访问接口，采用嵌入式以太网通信服务器，为数据层提供更大存储空间;数据层采用根节点与边之比为1[∶]1方式，实现数据集中控制，确保数据安全与可靠，由此完成系统平台设计。
　　2  基于UML系统软件功能设计
　　系统采用UML建模，在设计阶段分别针对实验室管理人员、教师和学生在实验过程中所承担的不同角色进行需求分析，利用UML建模工具，以渐进式迭代过程实现系统软件功能设计。
　　2.1  动态建模
　　采用Rational Rose 2003建立UML軟件系统模型，在面向对象建模过程中，系统动态行为主要通过顺序图表现出来。通过顺序图描述对象之间动态交互行为，着重体现不同对象间的信息传递顺序，水平轴表示不同对象，垂直轴表示时间，采用UML建立的实训预约顺序示意图如图6所示。 　　依据图6，实验室管理人员需及时审核教师或学生预约信息，并给出预约结果，在数据库安全存储功能下，设计移动端信息处理功能，通过预约流程实现软件功能设计。
　　2.2  数据库安全存储功能设计
　　实验室多模式自动预约系统数据库设计需要建立统一数据库，这是完成预约系统设计的关键环节，实验室预约信息处理可用如下公式表示：
　　[fxmin=i=1nαiytix+βzx] （1）
　　式中：[fxmin]表示申请预约信息处理结果的最小值;[x]为原始用户预约申请信息变量;[y]表示预约信息处理中损失的信息;[z]表示正则化系数;[α]，[β]分别表示对偶处理中的变量和共轭系数。
　　预约信息安全存储公式如下所示：
　　[Wgmin=i=1nαi-gi-βz1βi=1nyigi] （2）
　　式中：[Wgmin]为信息安全存储最低值，[g]为安全等级信息变量。将全部安全信息存储到该数据库中，由此设计短信息处理功能。
　　2.3  短信息处理功能设计
　　从终端设备或数据终端设备向电路终端设备发送相关指令，由不同厂家共同为GSM全球移动通信系统研制DTE?DCE标准接口，服务层的单片机可通过串口向GSM发送AT指令，达到控制全球移动通信系统收发短信的目的。
　　短信息接收与发送流程如下：
　　1） 短信息接收：监控新短信息，读取相应SIM卡内新消息，利用PDU格式分析并判断其编码方式，无论是中文解码，还是英文解码，都自动生成短消息正文。查看短消息内容格式是否有误，如果正确，则短消息内容通过串口发往上位机;如果错误，则直接回复错误提示信息，由此结束短信息接收。
　　2） 短信息发送：从串口读取上位机发回的短消息正文内容，判断短消息正文字符串种类，无论是中文解码，还是英文解码，都需设置短消息中心号码。通过读取目标号码和时间，封装PDU编码串，由此结束短信息发送。
　　2.4  实验室多模式自动预约流程设计
　　实验室多模式自动预约流程设计如图7所示。
　　在实验室预约状态显示表中，教师或学生可选择状态为预约的课时、预约相关实验，而系统可根据当前对话判断用户是否登录。如果未登录，则需用户选择课时所有参数跳转至登录页面，再根据传递参数跳转至该课时预约内容，进而填写页面。用户填写相关信息后，系统先查询booking表中是否有该课时的预约信息，防止多个用户同时预约，确认无人预约后，对该用户发送预约成功信息。
　　3  仿真实验
　　在网络服务器端开发环境下，采用某实验室中心数据库提供的相关数据信息作为传统系统与基于UML系统预约效果仿真实验数据集。
　　3.1  实验数据收集
　　从实验室中心数据库中提取相关人员的信息如表1所示。
　　依据表1所示相关人员信息，查看其对应的预约实验内容，如表2所示。
　　不同实验内容都会存在很多教师和学生进行预约，因此，管理人员需根据实际预约情况合理安排时间。
　　3.2  实验结果与分析
　　从上述预约成功的实验内容中选取编号为1，2，4的实验内容，对比分析传统系统与基于UML系统预约效果。
　　1） 理想状态下
　　在理想状态下，无其他干扰，两种系统预约效果如表3所示。传统系统实验次数为5次时，编号为1下实验预约效果较好，在实验次数为50次时，编号为4下实验预约效果较差，维持在70%以上。
　　
　　基于UML系统实验次数为5次、10次时，编号为1的实验预约效果较好，达到98%，在实验次数为50次时，编号为4的实验预约效果较差，但也达到92%。
　　对比两种系统预约效果可知，在理想状态下，两种系统预约效果都较好，但基于UML系统比传统系统预约效果更好。
　　2） 实际情况下
　　在实际情况下，两种系统会受到网络、时间、距离等多种因素的影响，导致预约效果不如理想状态。而添加手机客户端的UML系统要比传统系统预约效果好，为了验证预约效果，进行实验对比分析，结果如图8所示。
　　由图8可知：随着实验次数的增加，传统系统最高预约效果也没超过70%，最低达到3%，说明实际情况给传统系统带来影响较大。而基于UML系统最低预约效果也高于70%，最高可达到97%，说明设计手机客户端给预约带来极大便利，也提高了预约效果。
　　对比两种系统的预约效果可知，在实际情况下，基于UML系统比传统系统预约效果要好。
　　4  结  语
　　本文设计了基于UML的实验室多模式自动预约系统，充分体现了以学生和教师为中心的预约理念，促进了学生对学习的热情，也使设备能够充分被利用。将实验室自动预约系统应用于手机客户端上，可随时完成实验室预约，解决学生缺少电脑情况下通过客户端就可方便完成实验室自动预约的问题。
　　目前，该系统建设还处于起步阶段，不断深入研究高效论证方法，才能保证实验室建设更加有序，为我国科学事业发展打好基础。
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