高校开放实验室智能管理系统的设计
作者 : 未知

  摘要:本课题以物联网为背景,结合门禁系统,以STC15系列单片机位核心设计一套开放实验室智能管理系统,该系统通过电子门禁实现对实验室仪器仪表、电器、实验耗材以及实验人员进出的管理系统。可使得原“封闭”的实验室通过智能管理后对外开放,且不需要人员管理。实现高校实验室最大使用化。
  关键词:开放实验室 物联网 智能实验室
  中图分类号:TP368.1 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)09-0004-02
  在今天,物联网蓬勃发展。但各大高校对实验室管理均未实现智能化。因此导致实验室处于封闭状态,在课余时间对外不开放,使得学校的资源浪费,在一定程度上没有实现资源共享,实验仪器使用率低下,学生创新创作能力受到环境限制。而且学校对实验耗材的管理任然依赖于纸与人,并未实现数字化,使得教学质量以及工作效率低。本文将研究把物联网带入高校实验室,通过射频识别(RFID)、热释红外、GPRS、STC15单片机等电路模块实现高校开放实验室的智能管理。使得实验室的仪器耗材在管理员的监管下实现了一定条件的开放性。提高了实验室的利用率。增强了对实验室的数字化管理。
  1 系统总体设计
  1.1 系统组成
  系统组成框图如图1所示。
  1.2 系统工作原理
  本系统使用STC15W4K58单片机作为微处理器。通过RFID读取校园卡(ID卡)卡号信息,送到单片机STC15中。处理器判断该持卡人是否在该时间段允许进入实验室,如果满足要求,则控制电磁锁打开实验室门。当持卡人进入实验室后,实验室空调、照明以及指定的试验台电源根据光亮和温度自动打开。持卡人随即可进入实验室开始实验。当实验结束,持卡人离开实验室后,系统根据出入数量判断当前实验室是否有人,如果无,则切断实验室所有电源,关闭照明以及空调等。门禁如遇到强行打开或者实验室电源超负荷运行,则通过声光报警器发出报警。并通过GPRS发送消息给指定手机。
  2 硬件设计
  2.1 主控电路设计
  系统使用STC15W4K58作为微处理器。该处理器为STC公司新推出高性能低廉的单片机。该单片机拥有高速的1T时钟,速度比传统8051快8~12倍。并且支持2.4V~5.5V宽电压。片内包含4K字节的RAM数据存储器,以及56k的片内Flash程序存储器。并支持四个完全独立的高速异步串行通讯端口等。对于本设计性能完全满足要求。STM32C8T6单片机如图2所示。
  2.2 RFID模块的设计
  该电路采用MF RC522设计,MF RC522芯片支持10Mbit/s的SPI接口、400kbit/s和3400kbit/s的I2C接口以及传输速率高达1228.8kbit/s的串口协议。支持MIFARE®;classic加密。芯片内置温度传感器,当芯片温度过高时会停止工作。芯片支持低功耗设计,工作电压2.5~3.3V即可。
  2.3 输出控制模块
  输出控制模块由四个继电器组成。分别控制声光报警器、电磁锁、照明、一起控制。继电器选用的是工作电压DC12V,触点控制电压10A、250V。由于单片机IO口输出电流低,无法直接驱动继电器,因此电路使用三极管控制继电器动作。如图3输出控制模块。
  当微处理器输出高电平“1”时,信号输送到三极管的基极,使三极管导通,继电器吸合。当微处理器输出低电平“0”时,三极管截止,继电器失电断开。继电器线圈并联一个二极管,防止线圈产生反向电流,击穿三极管或其他器件。
  2.4 GPRS无线通讯模块
  本系统采用GPRS无线通讯模块SIM900A,该模块采用无线方式通讯,且适合远距离通讯,受环境影响小。支持GSM900/1800Mhz工作频段,可以实现电话语音、短信彩信等功能,十分适合数据量不大的远程通讯需求,常用于远程监控、远程抄表、智能家居等领域。
  3 系统整体调试及其主要技术
  将以上电路模块连接起来后,通过编写程序控制各个模块运作。实现以下功能。
  (1)使用预设的ID卡开门。(2)强行推门报警并远程发送消息给手机。(3)夜晚进入实验室自动开启照明。(4)进入实验室自动开启实验室电源。(5)离开实验室提示空调未关闭(当最后一人离开时)。(6)后台可添加删除ID卡。(7)手机通过短信远程控制开门。
  3.1 主程序流程图
  主程序流程图如图4所示。
  3.2 GSM模块函数说明
  为了掌握实验室进出动态和紧急状况,加入了GSM模块,该模块可通过移动网络将实验室的状态发给指定号码,以下程序是发送文本信息内容。
  void Set_Pdu_Mode(void)
  {Second_AT_Command(“ATE0”,”OK”,3); //取消回显
  Second_AT_Command(“AT+CMGF=0”,”OK”,3); //设置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); //发送短信内容
  UART2_SendData(0X1A); } //发送结束符
  程序3-2 GSM发送文本函数
  3.3 掉电保存数据函数
  本程序在系统突然掉电时保存当前工作的数据,当下次上电时能正常运作。
  void IapProgramByte(WORD addr, BYTE dat)
  {IAP_CONTR = ENABLE_IAP; //使能IP
  IAP_CMD = CMD_PROGRAM; //设置IP命令
  IAP_ADDRL = addr; //设置IP低地址
  IAP_ADDRH = addr >> 8; //设置IP高地址
  IAP_DATA = dat; //写ISP/IP/EEPROM数据
  IAP_TRIG = 0x5a; //写触发命令(0x5a)
  IAP_TRIG = 0xa5; //写触发命令(0xa5)
  _nop_(); //等待ISP/I?P/EEPROM操作完成
  IapIdle();}
  程序3-3写数据到ISP/IP/EEPROM区域
  4 结语
  通过一个多星期的设计和研究,完成了以stc15系列单片机为核心的智能实验室管理系统。实现了使用ID卡开门并根据环境开启照明,以及通过GSM模块发送消息给指定号码,传送实验室状态。同时也在制作中发现了问题,譬如使用单片机自带的flash存储器时,有一定几率存储失败。接下来如有时间将改进这个问题。该系统目前实现了基本功能,如进一步开发,即可实现更加人性化的智能管理。在智能家居普遍的今天,高校的实验室智能化相信也指日可待。
  参考文献
  [1]谭浩强.C程序设计(第三版)清华大学出版社2005.07.
  [2]杨西明.单片机编程与应用入门.机械工业出版社,2005.
  [3]丁镇生.传感器及传感技术应用.北京:电子工业出版社,1998:59-72.