高校開放實驗室智能管理系統的設計

蘇海洋

摘要：本課題以物聯網為背景，結合門禁系統，以STC15系列單片機位核心設計一套開放實驗室智能管理系統，該系統通過電子門禁實現對實驗室儀器儀表、電器、實驗耗材以及實驗人員進出的管理系統。可使得原“封閉”的實驗室通過智能管理后對外開放，且不需要人員管理。實現高校實驗室最大使用化。

關鍵詞：開放實驗室 物聯網 智能實驗室

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0004-02

在今天，物聯網蓬勃發展。但各大高校對實驗室管理均未實現智能化。因此導致實驗室處于封閉狀態，在課余時間對外不開放，使得學校的資源浪費，在一定程度上沒有實現資源共享，實驗儀器使用率低下，學生創新創作能力受到環境限制。而且學校對實驗耗材的管理任然依賴于紙與人，并未實現數字化，使得教學質量以及工作效率低。本文將研究把物聯網帶入高校實驗室，通過射頻識別（RFID）、熱釋紅外、GPRS、STC15單片機等電路模塊實現高校開放實驗室的智能管理。使得實驗室的儀器耗材在管理員的監管下實現了一定條件的開放性。提高了實驗室的利用率。增強了對實驗室的數字化管理。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

系統組成框圖如圖1所示。

1.2 系統工作原理

本系統使用STC15W4K58單片機作為微處理器。通過RFID讀取校園卡（ID卡）卡號信息，送到單片機STC15中。處理器判斷該持卡人是否在該時間段允許進入實驗室，如果滿足要求，則控制電磁鎖打開實驗室門。當持卡人進入實驗室后，實驗室空調、照明以及指定的試驗臺電源根據光亮和溫度自動打開。持卡人隨即可進入實驗室開始實驗。當實驗結束，持卡人離開實驗室后，系統根據出入數量判斷當前實驗室是否有人，如果無，則切斷實驗室所有電源，關閉照明以及空調等。門禁如遇到強行打開或者實驗室電源超負荷運行，則通過聲光報警器發出報警。并通過GPRS發送消息給指定手機。

2 硬件設計

2.1 主控電路設計

系統使用STC15W4K58作為微處理器。該處理器為STC公司新推出高性能低廉的單片機。該單片機擁有高速的1T時鐘，速度比傳統8051快8～12倍。并且支持2.4V～5.5V寬電壓。片內包含4K字節的RAM數據存儲器，以及56k的片內Flash程序存儲器。并支持四個完全獨立的高速異步串行通訊端口等。對于本設計性能完全滿足要求。STM32C8T6單片機如圖2所示。

2.2 RFID模塊的設計

該電路采用MF RC522設計，MF RC522芯片支持10Mbit/s的SPI接口、400kbit/s和3400kbit/s的I2C接口以及傳輸速率高達1228.8kbit/s的串口協議。支持MIFARE?；classic加密。芯片內置溫度傳感器，當芯片溫度過高時會停止工作。芯片支持低功耗設計，工作電壓2.5～3.3V即可。

2.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊由四個繼電器組成。分別控制聲光報警器、電磁鎖、照明、一起控制。繼電器選用的是工作電壓DC12V，觸點控制電壓10A、250V。由于單片機IO口輸出電流低，無法直接驅動繼電器，因此電路使用三極管控制繼電器動作。如圖3輸出控制模塊。

當微處理器輸出高電平“1”時，信號輸送到三極管的基極，使三極管導通，繼電器吸合。當微處理器輸出低電平“0”時，三極管截止，繼電器失電斷開。繼電器線圈并聯一個二極管，防止線圈產生反向電流，擊穿三極管或其他器件。

2.4 GPRS無線通訊模塊

本系統采用GPRS無線通訊模塊SIM900A，該模塊采用無線方式通訊，且適合遠距離通訊，受環境影響小。支持GSM900/1800Mhz工作頻段，可以實現電話語音、短信彩信等功能，十分適合數據量不大的遠程通訊需求，常用于遠程監控、遠程抄表、智能家居等領域。

3 系統整體調試及其主要技術

將以上電路模塊連接起來后，通過編寫程序控制各個模塊運作。實現以下功能。

（1）使用預設的ID卡開門。（2）強行推門報警并遠程發送消息給手機。（3）夜晚進入實驗室自動開啟照明。（4）進入實驗室自動開啟實驗室電源。（5）離開實驗室提示空調未關閉（當最后一人離開時）。（6）后臺可添加刪除ID卡。（7）手機通過短信遠程控制開門。

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖4所示。

3.2 GSM模塊函數說明

為了掌握實驗室進出動態和緊急狀況，加入了GSM模塊，該模塊可通過移動網絡將實驗室的狀態發給指定號碼，以下程序是發送文本信息內容。

void Set_Pdu_Mode（void）

{Second_AT_Command（“ATE0”，”OK”，3）； //取消回顯

Second_AT_Command（“AT+CMGF=0”，”OK”，3）； //設置PDU模式

Second_AT_Command（“AT+CPMS=＼”SM＼”，＼”SM＼”，＼”SM＼””，”OK”，3）； }

void Send_Pdu_Sms（void）

{Second_AT_Command（“AT+CMGS=27”，”>”，3）；

UART2_SendString（content）； //發送短信內容

UART2_SendData（0X1A）； } //發送結束符

程序3-2 GSM發送文本函數

3.3 掉電保存數據函數

本程序在系統突然掉電時保存當前工作的數據，當下次上電時能正常運作。

void IapProgramByte（WORD addr， BYTE dat）

{IAP_CONTR = ENABLE_IAP； //使能IP

IAP_CMD = CMD_PROGRAM； //設置IP命令

IAP_ADDRL = addr； //設置IP低地址

IAP_ADDRH = addr >> 8； //設置IP高地址

IAP_DATA = dat； //寫ISP/IP/EEPROM數據

IAP_TRIG = 0x5a； //寫觸發命令（0x5a）

IAP_TRIG = 0xa5； //寫觸發命令（0xa5）

_nop_（）； //等待ISP/I？P/EEPROM操作完成

IapIdle（）；}

程序3-3寫數據到ISP/IP/EEPROM區域

4 結語

通過一個多星期的設計和研究，完成了以stc15系列單片機為核心的智能實驗室管理系統。實現了使用ID卡開門并根據環境開啟照明，以及通過GSM模塊發送消息給指定號碼，傳送實驗室狀態。同時也在制作中發現了問題，譬如使用單片機自帶的flash存儲器時，有一定幾率存儲失敗。接下來如有時間將改進這個問題。該系統目前實現了基本功能，如進一步開發，即可實現更加人性化的智能管理。在智能家居普遍的今天，高校的實驗室智能化相信也指日可待。

參考文獻

[1]譚浩強.C程序設計（第三版）清華大學出版社2005.07.

[2]楊西明.單片機編程與應用入門.機械工業出版社，2005.

[3]丁鎮生.傳感器及傳感技術應用.北京：電子工業出版社，1998：59-72.