實驗室器件智能管理系統的設計與實現

張立立， 柳軼天， 邱 陽， 鮑玉斌

(東北大學 計算機科學與工程學院,沈陽 110819)

0 引 言

眾所周知，當下人工智能[1-2]領域的發展迅速，而在我國，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》[3]其中提到，新一代人工智能發展分3個步驟走的戰略目標[4]，使中國在2030年人工智能理論技術達到世界先進水平。而在實驗室這個科研圣地，“智能”二字顯得尤為重要。如今各高校均有開展自主性實驗[5-6]，如何對實驗室器件的存入和取出的管理成為一個新的課題，管理不好，則使物品擺放變得雜亂無章，而使用機械鎖來存儲物品，又不符合當下智能的時代。因此，針對實驗室器件的管理[7-8]，進行開發設計一種智能的存儲管理系統，既保證了從傳統意義上講每個物品存儲的安全性，同時又使不同種類的物品智能[9]分類。并為實驗室管理員配置權限密碼，從而整體提高了實驗室管理的安全性。

1 系統總體設計方案

1.1 功能介紹

當實驗室管理員儲存一批采購的實驗器件時，首先進入管理員界面，輸入管理員權限密碼，密碼正確，則進入存器件界面，若輸入錯誤，則系統會發出警告，并在顯示屏上提醒你沒有權限操作，這時系統會進入戒備狀態，在一段時間內無法重新使用。

進入存物界面后，系統在接收到存物命令后，掃描系統中是否有空柜，如果未存滿則打開一個空箱，成功后系統將提示管理員存儲成功。對于同一類屬的不同物品，可以存放在同一個柜子當中。

當科研人員取器件時，需輸入實驗器件的編碼，系統會根據輸入的編碼進行校驗檢測，如果匹配成功，則打開對應的柜門取出物品。如果未匹配成功，即輸入錯誤，則系統會提示重新輸入，若連續輸錯3次，則系統會退出取器件界面。

1.2 設計流程圖

結合系統功能，總體的流程圖如圖1所示。

圖1 設計總流程圖

2 系統硬件部分設計

2.1 設計方案

整個系統的硬件構成部分為：電控鎖模塊(用于連接儲物柜)，微控制器，顯示屏，外接鍵盤。為了降低開發成本，同時為了更加通俗易懂的說明問題，微控制器選用STC系列芯片。

系統可由多個這樣的子系統構成，多個子系統組合起來并具有分層結構時，可形成多層的神經網絡。構成一個子系統的硬件結構框架如圖2所示。

2.2 各部分模塊介紹

(1) 微控制器。STC系列芯片[10]采用STC89C54，共40個引腳，其中有4個8位并行I/O口(P0,P1,P2,P3)。其中P0口用于控制柜門的打開與閉合；P1口用于微控制器與外設鍵盤之間的通信；P2口用于微控制器與顯示器之間的數據傳遞，P3口用于微控制器對顯示器發各種的控制信息，用于屏幕的初始化，切換等的控制。

圖2 子系統結構框架圖

(2) 電控鎖模塊。電控鎖的電學性質大致上為給予某個電平時會打開鎖，給予相反的電平時則會關閉，由于微控制器使用的是5 V電壓，而電控鎖工作電壓為DC12V，開鎖瞬時電流(1～3 A)，故電路連接時需通過連接NE555集成芯片進行電流的放大，以驅動電控鎖中的電磁繼電器[11]吸合，從而控制電控鎖的開和閉。圖3所示即為電路設計，當NE555芯片CV端給予一個低電平時，電控鎖中的電磁繼電器就會短時間內吸合，電控鎖打開，配合儲物柜柜門的彈簧，就能實現柜門的自動打開，其延時時間可調節電阻R8與電容C4進行調節，延時時間t=1.1×R8×C4,電路設計中的延時大約為100 ms。

圖3 電控鎖模塊仿真圖

(3) 顯示屏模塊。采用液晶顯示屏LCD 12864，其在便攜式儀器中有著廣泛的使用[12]，如轉速表、計算器、萬用表等。便攜式儀表基本都具備鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊，以便于人機操作和設置。由于液晶模塊程序操作簡單，故在微控制器的開發過程中經常作為常用的電路模塊進行系統的整體結構設計。

采用AMPIRE128X64型LCD12864，將P2口作為數據傳輸端與LCD12864的DB0～DB7相連，控制端與P3口相接，使能端E與P3.0相接，命令數據選擇端RS與P3.5相接，讀寫選擇端R/W與P3.1相接，左屏片選CS1與右屏片選CS2分別與P3.6和P3.7相接，按照LCD12864通信協議，用單片機C語言編寫程序以控制LCD顯示預期效果，如圖4所示。

圖4 LCD12864與單片機連接圖

3 系統軟件算法設計

為實現上述功能,需要重點考慮的問題有對權限密碼和編碼的生成，記錄，核對及消除，顯示界面的切換，以及同一柜子儲存多種物品的算法設計。

各界面的切換算法是根據外接鍵盤掃描模塊所返回得到的鍵值進行不同的操作[13]。為使程序編程簡單明朗化，將該模塊分兩個函數[14]來編寫：operation(uchar key)函數和show(uchar n)函數，編程時對每個界面編一個號，設置一個全局變量interface記錄當前界面標號，程序operation(key)根據鍵值對各全局變量進行改動和記錄。同時根據處理情況的不同，對interface進行賦值。show(interface)函數為界面的顯示函數，需設置一個全局變量記錄上一次的界面標號，show(n)函數運行前先將當前界面標號和上一次標號進行對比，假如改變則清一次屏，再顯示當前界面。

一柜多物多碼算法是利用計算機網絡[15]中的循環冗余校驗算法，將管理員存入器件的數據信息，即柜子號，器件種類號，器件自身二進制編號，儲存在微控制器中，并將其除以生成多項式，把結果作為冗余碼，并附在數據后面，類似于發送方。取件者輸入的信息加上冗余碼構成接收方接收到的數據。通過判斷數據除以生成多項式的余數是否為0來確定是否輸入錯誤。

此編碼實際上是一個循環移位的模2運算，本文以 5 bits的寄存器為例來說明這種算法。通過反復的移位和進行冗余碼的除法，最終該寄存器中的值去掉最高一位就是所要求的余數。上述步驟用下面的偽代碼描述為：

把reg中的值置0.

把原始的數據后添加r個0.

While (數據未處理完)

Begin

If (reg首位是1)

reg = reg XOR 0011.

把reg中的值左移一位，讀入一個新的數據并置于register的0 bit的位置。

End

reg的后四位就是我們所要求的余數。

這種算法簡單，容易實現，對任意長度生成多項式的G(x)都適用。在器件編碼信息不長的情況下可以使用。

軟件設計還包括：LCD12864顯示界面設計和矩陣鍵盤按鍵掃描模塊等，這些模塊算法設計相對簡單，這里不再表述。

4 軟硬件系統調試

系統調試階段中，每一部分設計都先單獨進行測試，整個硬件系統也是先在電腦上進行仿真設計后，再進行實物測試，最后進行了系統軟硬件聯調[16]。在系統設計過程中，遇到了一些問題，并對設計過程進行總結歸納，得到了問題的解決方法。

(1) LCD12864 顯示不出字問題。①問題描述。LCD12864 在Rv1連接確認無誤的情況下，屏幕顯示空白，并且沒有對比度，屏幕上有很多白點，無法清除。②原因。因為采用的是不帶字庫的12864，器件引腳本身的參數特性不穩定，導致字體時有時無。③解決辦法。在LCD12864背面的貼片上焊接一個20 kΩ的滑動變阻器，用以調節Rv1。由于實驗室中沒有此參數的變阻器，故用兩個10 kΩ的滑動變阻器代替。

(2) LCD12864 顯示串屏問題。①問題描述。在進行實物操作時，會發現當屏幕切換時，如果新的屏幕有地方沒有字，則會被上一個屏幕的字替換掉，一直清除不掉。并且當開發板斷電之后立即重新通電，會保留斷電前的界面，除非斷電后很長一段時間后再上電。②原因。LCD12864 切屏方式的問題，它默認只改變新的屏幕中新出現的地方，不會對未改變的地方清除。③解決辦法。通過編程，將原本沒有字的地方寫空，這樣屏幕上所有的點在屏幕切換中，都會接受新的數據，這樣就徹底將原本的屏幕數據覆蓋，從而達到屏幕清晰顯示的特點。

(3) 繼電器控制不穩定問題。①問題描述。在實物連接早期，會出現一個現象，即使單片機控制繼電器的引腳發出的是高電平，繼電器仍能夠觸發(繼電器設置低電平觸發方式)。②原因。繼電器觸發電平范圍比較大，單片機提拉電阻取值不合適。③解決辦法。選用合適阻值的提拉電阻。

5 結 語

整個系統可由多個子系統分布式組合而構成，而整個大系統又可以分為若干個區域，每一個管理員管理一個區域，管理員存器件和科研人員取器件同時完成，實現多人同時存取。

由于每一個子系統都含有一個微控制器，多個微控制器組合則構成一個快速，高效的處理器，這些處理器分層分布時，可以構成多層的隱含層，使整個系統具有深度學習的功能。結合當下人工智能領域的計算機視覺技術的發展，可以將管理員權限密碼推廣為管理員面部識別。