基于指纹与电源控制的实验室管理系统设计

林凤屏，王正朝，黄 飞，唐良华，张彦定

(福建师范大学 生命科学学院，福州 350108)

基于指纹与电源控制的实验室管理系统设计

林凤屏，王正朝，黄 飞，唐良华，张彦定

(福建师范大学 生命科学学院，福州 350108)

为进一步加强高校开放性实验室的管理，提高仪器设备的利用率，设计开发了一种基于指纹和电源控制的实验室管理系统。其中，指纹识别模块用于实现用户身份的注册与验证，电源控制模块综合了嵌入式技术、无线射频通信技术、电源控制技术，用于实现实验台电源的控制与实时监控，有望最终提高实验室的管理效率和技术水平，为学生创新能力培养提供良好的环境。

指纹识别；电源控制；开放性实验室；管理系统

高校教学科研实践中，实验室的开放不仅能为学生提供更多自主发展和实践锻炼的空间，还能最大限度地提高仪器设备的利用率。目前高校开放实验室的管理模式，一般采用人工管理或者“ID+密码”、磁卡的方式。前者大大增加了管理人员的工作量，后者需要用户记忆密码、账号，不仅增加了记忆负担，也容易被冒名顶替，而且由于磁卡的可借用性易造成管理的混乱[1]。此外，也有部分高校采用控制机柜来控制实验设备供电，这种方式不但增加了实验室布线的难度，也不利于实验室的改建[2]。

基于此，本文设计了一种基于指纹识别和电源控制的开放性实验室管理系统，有望提高实验室的安全性和管理效率，有利于实验室高智能、高效率地全天候开放。

1 系统整体结构

本文所设计的开放性实验室管理系统总体结构如图1所示，主要由三部分组成：信息管理模块、指纹识别模块、电源控制模块。PC机采用TCP/IP协议与服务器数据库进行通信，实现信息数据的传输与管理;指纹识别模块实现用户身份的注册与验证;电源控制模块的主控单元(AMR微控制器)和受控单元(电源控制单元)之间采用无线射频收发模块进行通信，实现对实验台电源的开/关控制以及状态查询、过流保护等功能。

2 系统硬件设计

系统硬件主要涉及指纹识别模块、主控单元硬件、无线射频收发模块和受控单元硬件。

2.1 指纹识别模块

系统采用美国Digital Persona公司的U.are.U4000微型指纹仪，它集成精密光学系统、LED光源和CMOS摄像头协同工作，在图像摄取时进行电压控制、自动矫正，自动读取指纹图像，并通过USB接口将数字化的指纹图像传送至PC机。支持中控科技Biokey SDK软件开发包，可以在应用程序中增加指纹识别功能，无需通过姓名、PIN等预先分类就可以在1～5 s内完成指纹识别(2 000～6 000枚指纹)，且图像质量大于300 dpi[3_4]。

图1 系统总框架图

2.2 主控单元硬件设计

嵌入式微控制器是主控单元的核心，系统采用Samsung ARM9_S3C2410。它是一款基于ARM920T内核设计的16/32位RISC嵌入式微处理器，支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器，最高运行频率203 MHz，具有丰富的接口资源[5_6]，符合本系统的设计需求。

系统配置了两片32 MB的Samsung SDRAM，一片intel strata flash(16 MB)，一片ATMEL AT49LV1614A，2 MB NOR Flash，用于扩充内存。另外，还包括蜂鸣器、JTAG调试接口以及与PC机和以太网通信的RS232接口及RTL820I以太网物理层接口控制芯片等器件。

2.3 无线射频收发模块

电源控制装置的主控单元与受控单元的通信通过无线射频收发模块完成。系统采用挪威Nordic公司的nRF905芯片，集无线射频收发于一体，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，采用ShockBurstTM工作模式，可自动完成处理字头和CRC的工作，可工作于433/ 868/915 MHz三个ISM频段(工业、科学和医学)，且频道之间的转换时间小于650μs。另外，它采用GFSK调制方法，抗干扰能力强，能很好地减少噪声环境对系统性能的影响[6]。nRF905提供SPI接口，实现与外部装置的双向通信。

2.4 受控单元硬件设计

电源控制器是受控单元的核心，系统采用美国ATMEL公司的AT89C51。它是一款低电压、高性能的CMOS8位微处理器，内含4 KB可反复擦写的只读程序存储器和128 B的随机数据存储器。考虑实验台通常包括多种仪器设备，系统选择了30 A切换能力的T90型大电流继电器控制总电源开关，开关使用次数可达到1 000万次。此外，为保障安全，系统还配置有过流保护和报警提示，通过电流互感器来检测流过电源线的电流，如果电流超过预设值则报警，过流时间大于10 s，则切断整个实验台电源，并将报警信号反馈至主控单元，上传至PC机。

3 系统软件设计

系统软件主要包括系统信息管理软件、指纹识别软件、主控单元软件、受控单元软件。

3.1 系统信息管理软件设计

系统选择VB、SQL Server2005数据库及Office 2003作为开发工具，将实验室的相关信息数据存储于服务器数据库里，PC机通过TCP/IP协议与服务器进行通信，进行信息数据的传输与管理。信息管理软件功能模块如图2所示。

图2 信息管理软件功能模块图

3.2 指纹识别软件设计

由PC机和指纹仪组成的指纹识别系统主要完成两大功能：指纹登记和指纹比对。它们主要通过调用DSK软件包提供的函数完成，为得到一个可靠的指纹模板，系统将控件属性Enroll Count设置按压登记采集指纹的次数为3次。另外，根据实验室的特点，选用l∶N指纹识别算法，具体按照如图3所示的流程处理指纹。

图3 指纹识别模块任务流程图

3.3 主控单元软件设计

主控单元软件设计包括操作系统移植和应用程序编写。由于嵌入式操作系统μC/OS_II系统结构简单，编程工具绝大部分是C语言编程，可以在大多数界面友好的编译器中编译生成目标代码，故而作为整个系统的框架贯穿于系统运行的始终。本单元软件设计主要是为了实现：接受PC机指令(实验台开启、关闭、查询等)，通信模块工作模式转换，数据处理，信息反馈，异常报警提示等，具体任务流程如图4所示。

3.4 受控单元软件设计

受控单元对来自无线射频收发模块的指令进行解析，完成对实验台电源的开/关控制、状态查询，附带实时过流监测、过流保护以及异常报警提示功能。受控单元的具体任务流程如图5所示。

图4 主控单元任务流程图

图5 受控单元任务流程图

4 系统联机调试

将各部分硬件装置按图1连接好，然后进行联机调试。调试内容与结果如下：

1)对指纹识别系统进行操作，完成对246名学生的指纹注册和比对测试，正确率达100。

2)通过操作计算机软件，控制实验台电源的通断和查询实验台状态。通过此项调试与测试，验证了串口通信、无线射频接收与发射、继电器通断的有效性。通过对不同分布节点的反复测试，通断电正常运行，结果显示正确。

3)通过操作主控单元的键盘，进行实验台状态查询和电源通断控制测试，结果验证了主控单元程序运行正常、LCD显示正确。

4)对计算机软件与数据库进行相关的查询、添加、删除、修改、生成报表等操作，测试结果正确。

5 结束语

基于指纹识别和电源控制的开放性实验室管理系统将成熟的指纹识别技术、嵌入式技术、无线射频通信技术、电源控制技术进行融合、改进。通过指纹识别确认用户身份，对实验台进行智能分配，记录其实验时间，并对故障自动报警以及实验台过流保护。同时，采用无线射频通信技术，减少了布线的麻烦和改迁改建费用。这种管理方式打破了以往要由教师在实验室负责学生签到和记录的传统管理方式[7]，使得实验室管理人员、实验用户、实验设备、实验室开放时间等几个要素得以高效配置，减少了技术成本和管理成本，提高了仪器设备的使用效率，实现了安全、高效的实验室开放性管理。

另外，系统提供有力的数据与接口支持，通过TCP/IP与服务器相连，可进一步实现网上实验成绩共享、实验室使用情况以及实验台预定和查询等多种功能。它不但适用于各个高校建立相关的实验室，而且适用于企业建立符合自身条件的管理方式，同时还可扩展到取代校园一卡通的管理方式，或者是重要的考试考务系统中去，应用前景十分广阔。

[1]丁晓玲，徐伟平，胡敏.网络化分布式国家重点实验室管理信息系统[J].实验技术与管理，2001，18(2)：114_118.

[2]左富强，贾丹丹，李宏.基于嵌入式指纹识别的开放型实验室管理系统设计[J].实验室研究与探索，2006，26(11)：19_22.

[3]叶兰，左富强，李宏.基于电源控制的实验室集成管理系统[J].机电工程，2009，26(6)：58_60.

[4]韩知恩，周建春，张彬.基于指纹识别技术的实验室开放管理系统[J].实验技术与管理，2006，23(12)：85_87.

[5]贾宝磊，丁海峡，倪远平.基于AMR的指纹识别系统的设计[J].电气自动化，2008，30(6)：82_83.

[6]张少杰，马铁华，沈大伟.基于ARM9的无钥匙进入系统的设计与实现[J].工程设计学报，2011，18(4)：304_307.

[7]陈昭炎，李惠玲.开放实验教学与管理模式的研究与实践[J].实验室研究与探索，2005，24(11)：107_109.

Design of Laboratory M anagement System Based on Fingerprint and Power Control Technology

LIN Fengping，WANG Zhengchao，HUANG Fei，TANG Lianghua，ZHANG Yanding
(College of Life Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou 350108，China)

A new open laboratorymanagement system based on fingerprint recognition and power control technology was designed for improvement of themanagement levelofopen laboratory，the utilization rate of instruments and equipment in university.The fingerprint identification module is used to register and verify the experimenter＇s identity，and power of experiment is controlled and supervised by the joint effort of the embedded technology，wireless RF communications and power control technology.And this system will not only improvemanagement efficiency and laboratory skills，but also provide a favorable environment tomake contribution to the training of innovation ability of the students.

fingerprint recognition;power control;open laboratory;management system

G482；TP315

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.060

2012_06_18；修改日期：2013_06_13

教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET_12_ 0614）。

林凤屏（1985_），女，硕士，助理实验师，主要从事实验室管理工作。