毫无疑问，实验教学在现代大学教育中是一个重要的环节。因此，实验室的管理与安全直接影响着教学与科研质量。随着科技的发展，实验室的管理智能化、高效化是必然的趋势。因此，从实际学习生活经历出发，本文提供了一种更加全面、安全并且可靠的实验室管理系统解决方案。
1传统实验室管理系统
实验室管理系统主要的方式大多以网络为主，辅以门禁卡进行管理。如魏志军等[2]提出了一种利用射频识别技术进行人员身份验证以及实验设备管理，软件则基于Java语言和Spring框架，提出了一种实验室管理系统解决方案。对于人员流动较大的实验室，这种系统是一种不错的解决方案。但对于一些人员固定，人数较少的实验室则显得相对复杂。此外，射频卡丢失也会造成极大的不便。此外，数据库也是一种该系统的主要解决方案。如喻晗等[3]提出了一种利用MongoDB数据库和安卓客户端实现学术选课与预习及留言等功能的实验室管理系统。但没有将实验室的安全加入系统，使得系统功能稍显单薄。再如李真等[4]提出的利用物联网技术及单片机来进行安全验证以及统计实验设备的使用情况，为管理人员提出反馈。这种系统可以实现实验室考勤和节能，效果出色。但是没有设计实验室主动安全检测系统，对于意外闯入以及实验室内部出现火情时没有好的解决方案
2实验室管理系统设计方案
2.1系统总体设计方案
实验室管理系统应该包括但不限于以下几种功能：考勤，实验室安全和人员安全。因此，我们将其有机结合起来，利用OpenCV自带的函数实现人脸检测进而完成考勤，利用多种传感器实现对实验室安全的探测，利用帧差法实现对人状态的判断从而决定是否报警。
2.2考勤以及身份识别本
部分采用OpenCV3库，在Python下编写程序。OpenCV3中提供了Eigenfaces，Fisherfaces和LBPH三种识别人脸的算法。其中，本项目采用第一种。Eigenfaces是通过CV种最常见的PCA算法实现的。其本质是识别某个训练集的主要部分，并计算出训练集的相对于样本库的发散度，发散度越小，说明越接近样本库。因此，在使用该系统前，应该先对实验室人员进行头像采集工作，可以采取连拍的方法，每人拍摄大约200张图片左右。按人保存成数组。再通过该算法对数据库进行训练，训练完成即可使用。
2.3设备安全检测
该部分采用嵌入式系统树莓派，使树莓派驱动各个传感器并处理得到的信息，同时将异常信息上报给计算机或者直接发送给管理人员。需要的元件有：无线网卡模块，摄像头模块，压力传感器，烟雾传感器等。具体办法是，按实际接线配置好树莓派的引脚，同时编写好各个传感器的驱动。当传感器检测到可疑信息时，通过无线网卡模块向电子邮箱发送报警短信，同时通过摄像头模块对可疑信息进行拍照取证，从而实现设备安全检测。
2.4人员安全检测
该部分采用开源机器视觉处理库OpenCV3，使用混合高斯背景建模的方法提取输入数据的相邻两帧图像之间的差别信息，利用CLAHE算法增强二值图像对比度，得到的图像经过Solel算子进行边缘检测，使用最大类间误差法二值化获得对比度更强的二值化图像，随后通过形态学变化（膨胀和腐蚀），以及中值滤波和高斯滤波，得到移动人体的二值图像。本方法中，通过提取图像中人体的宽度与高度、人体投影面积、人体重心、人体重心速率、人体长宽对比得到的运动目标的运动状态。使用机器学习的方法，利用决策树构建一个运动状态判断模型，对人体跌倒行为进行预测。一旦检测到人跌倒，立即启动报警系统。报警系统可以和传感器报警系统共用。
3结语
本方法将计算机视觉技术应用到实验室管理中，软、硬件成本低，要求少。同时可以增加实验室的管理效率，降低管理者工作量。同时，本方法不仅可以应用在小型实验室，同时可以应用在一般家庭中，应用范围广，经济前景好。
参考文献
[1]吴良.智能实验室管理系统的开发与实践[J].实验室研究与探索,2012.
[2]魏志军,杨云峰.智能综合实验室管理系统设计[J].现代电子技术,2018.
[3]喻晗,刘威.实验室管理系统的设计与实现[J].电子设计工程,2017.
[4]李真,余善恩,陈张平,孙伟华.基于物联网的实验室安全管理系统[J].实验科学与技术,2018.
[5]乔•米尼奇诺,约瑟夫•豪斯.OpenCV3计算机视觉Python语言实现(第二版)[M].机械工业出版社,2017.
[6]沃尔弗拉姆•多纳特.Python树莓派编程[M].机械工业出版社,2017.
作者:张哲玮 王玮 曹园 单位:浙江大学电气工程学院
