高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇海洋

摘要：本課題以物聯(lián)網(wǎng)為背景，結(jié)合門(mén)禁系統(tǒng)，以STC15系列單片機(jī)位核心設(shè)計(jì)一套開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)電子門(mén)禁實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器儀表、電器、實(shí)驗(yàn)耗材以及實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)出的管理系統(tǒng)。可使得原“封閉”的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)智能管理后對(duì)外開(kāi)放，且不需要人員管理。實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)室最大使用化。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室 物聯(lián)網(wǎng) 智能實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0004-02

在今天，物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展。但各大高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理均未實(shí)現(xiàn)智能化。因此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室處于封閉狀態(tài)，在課余時(shí)間對(duì)外不開(kāi)放，使得學(xué)校的資源浪費(fèi)，在一定程度上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)驗(yàn)儀器使用率低下，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)作能力受到環(huán)境限制。而且學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)耗材的管理任然依賴(lài)于紙與人，并未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，使得教學(xué)質(zhì)量以及工作效率低。本文將研究把物聯(lián)網(wǎng)帶入高校實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、熱釋紅外、GPRS、STC15單片機(jī)等電路模塊實(shí)現(xiàn)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的智能管理。使得實(shí)驗(yàn)室的儀器耗材在管理員的監(jiān)管下實(shí)現(xiàn)了一定條件的開(kāi)放性。提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率。增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)使用STC15W4K58單片機(jī)作為微處理器。通過(guò)RFID讀取校園卡（ID卡）卡號(hào)信息，送到單片機(jī)STC15中。處理器判斷該持卡人是否在該時(shí)間段允許進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，如果滿(mǎn)足要求，則控制電磁鎖打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室門(mén)。當(dāng)持卡人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，實(shí)驗(yàn)室空調(diào)、照明以及指定的試驗(yàn)臺(tái)電源根據(jù)光亮和溫度自動(dòng)打開(kāi)。持卡人隨即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，持卡人離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室后，系統(tǒng)根據(jù)出入數(shù)量判斷當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室是否有人，如果無(wú)，則切斷實(shí)驗(yàn)室所有電源，關(guān)閉照明以及空調(diào)等。門(mén)禁如遇到強(qiáng)行打開(kāi)或者實(shí)驗(yàn)室電源超負(fù)荷運(yùn)行，則通過(guò)聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警。并通過(guò)GPRS發(fā)送消息給指定手機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(jī)。該單片機(jī)擁有高速的1T時(shí)鐘，速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍。并且支持2.4V～5.5V寬電壓。片內(nèi)包含4K字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及56k的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器。并支持四個(gè)完全獨(dú)立的高速異步串行通訊端口等。對(duì)于本設(shè)計(jì)性能完全滿(mǎn)足要求。STM32C8T6單片機(jī)如圖2所示。

2.2 RFID模塊的設(shè)計(jì)

該電路采用MF RC522設(shè)計(jì)，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(dá)1228.8kbit/s的串口協(xié)議。支持MIFARE?；classic加密。芯片內(nèi)置溫度傳感器，當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)會(huì)停止工作。芯片支持低功耗設(shè)計(jì)，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(gè)繼電器組成。分別控制聲光報(bào)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(diǎn)控制電壓10A、250V。由于單片機(jī)IO口輸出電流低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此電路使用三極管控制繼電器動(dòng)作。如圖3輸出控制模塊。

當(dāng)微處理器輸出高電平“1”時(shí)，信號(hào)輸送到三極管的基極，使三極管導(dǎo)通，繼電器吸合。當(dāng)微處理器輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，繼電器失電斷開(kāi)。繼電器線(xiàn)圈并聯(lián)一個(gè)二極管，防止線(xiàn)圈產(chǎn)生反向電流，擊穿三極管或其他器件。

2.4 GPRS無(wú)線(xiàn)通訊模塊

本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線(xiàn)通訊模塊SIM900A，該模塊采用無(wú)線(xiàn)方式通訊，且適合遠(yuǎn)距離通訊，受環(huán)境影響小。支持GSM900/1800Mhz工作頻段，可以實(shí)現(xiàn)電話(huà)語(yǔ)音、短信彩信等功能，十分適合數(shù)據(jù)量不大的遠(yuǎn)程通訊需求，常用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域。

3 系統(tǒng)整體調(diào)試及其主要技術(shù)

將以上電路模塊連接起來(lái)后，通過(guò)編寫(xiě)程序控制各個(gè)模塊運(yùn)作。實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）使用預(yù)設(shè)的ID卡開(kāi)門(mén)。（2）強(qiáng)行推門(mén)報(bào)警并遠(yuǎn)程發(fā)送消息給手機(jī)。（3）夜晚進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)開(kāi)啟照明。（4）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室電源。（5）離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室提示空調(diào)未關(guān)閉（當(dāng)最后一人離開(kāi)時(shí)）。（6）后臺(tái)可添加刪除ID卡。（7）手機(jī)通過(guò)短信遠(yuǎn)程控制開(kāi)門(mén)。

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(shù)說(shuō)明

為了掌握實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出動(dòng)態(tài)和緊急狀況，加入了GSM模塊，該模塊可通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)發(fā)給指定號(hào)碼，以下程序是發(fā)送文本信息內(nèi)容。

void Set_Pdu_Mode（void）

{Second_AT_Command（“ATE0”，”O(jiān)K”，3）； //取消回顯

Second_AT_Command（“AT+CMGF=0”，”O(jiān)K”，3）； //設(shè)置PDU模式

Second_AT_Command（“AT+CPMS=＼”SM＼”，＼”SM＼”，＼”SM＼””，”O(jiān)K”，3）； }

void Send_Pdu_Sms（void）

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

UART2_SendString（content）； //發(fā)送短信內(nèi)容

UART2_SendData（0X1A）； } //發(fā)送結(jié)束符

程序3-2 GSM發(fā)送文本函數(shù)

3.3 掉電保存數(shù)據(jù)函數(shù)

本程序在系統(tǒng)突然掉電時(shí)保存當(dāng)前工作的數(shù)據(jù)，當(dāng)下次上電時(shí)能正常運(yùn)作。

void IapProgramByte（WORD addr， BYTE dat）

{IAP_CONTR = ENABLE_IAP； //使能IP

IAP_CMD = CMD_PROGRAM； //設(shè)置IP命令

IAP_ADDRL = addr； //設(shè)置IP低地址

IAP_ADDRH = addr >> 8； //設(shè)置IP高地址

IAP_DATA = dat； //寫(xiě)ISP/IP/EEPROM數(shù)據(jù)

IAP_TRIG = 0x5a； //寫(xiě)觸發(fā)命令（0x5a）

IAP_TRIG = 0xa5； //寫(xiě)觸發(fā)命令（0xa5）

_nop_（）； //等待ISP/I？P/EEPROM操作完成

IapIdle（）；}

程序3-3寫(xiě)數(shù)據(jù)到ISP/IP/EEPROM區(qū)域

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一個(gè)多星期的設(shè)計(jì)和研究，完成了以stc15系列單片機(jī)為核心的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了使用ID卡開(kāi)門(mén)并根據(jù)環(huán)境開(kāi)啟照明，以及通過(guò)GSM模塊發(fā)送消息給指定號(hào)碼，傳送實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。同時(shí)也在制作中發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，譬如使用單片機(jī)自帶的flash存儲(chǔ)器時(shí)，有一定幾率存儲(chǔ)失敗。接下來(lái)如有時(shí)間將改進(jìn)這個(gè)問(wèn)題。該系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)了基本功能，如進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，即可實(shí)現(xiàn)更加人性化的智能管理。在智能家居普遍的今天，高校的實(shí)驗(yàn)室智能化相信也指日可待。

參考文獻(xiàn)

[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）清華大學(xué)出版社2005.07.

[2]楊西明.單片機(jī)編程與應(yīng)用入門(mén).機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，1998：59-72.