高校实验室智能管理方案设计

刘 滨

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌330013）

0 引言

针对目前高校实验室，使用人员有管理员、教师、学生等，进入时间既有正常工作时间，也有晚上、周末等课余时间，而且实验室还要学生进行开放，如何对实验室进行高效、安全、便捷的管理变得复杂[1]。实验室的开放，主要是对门开放，而门禁系统主要有门磁和电磁锁两种方式[2]，权限管理主要有卡式和指纹两种，采用门磁方式存在的主要问题是市电停电，门磁即失效，安全没保证。采用卡式权限控制存在的主要问题是对卡的管理变得复杂。

为此本系统针对不改变传统房门的结构，转为对钥匙的智能管理来实现低成本、安装快捷方便、管理简单高效的智能门禁。通过指纹识别技术，网络技术对钥匙的使用权限进行实验室智能管理。

1 系统方案及架构

本方案旨在通过嵌入式软件硬件结合，在网络的支撑下，形成网络化的智能钥匙管理服务。网络化智能钥匙管理是基于网络服务器技术的智能化信息管理系统，是综合多元化的钥匙管理工作的需求，在充分分析研究了高校实验室管理的基础上设计的，是基于实际工作环境的研究设计，目的就是为了规范实验室的日常管理[3]，减轻管理人员一些琐碎的工作。根据实验室管理的特点及功能需求，系统分为4大功能版块，如图1所示。

图1 功能板块图

针对实验室钥匙管理需求，以及在钥匙管理上带来的管理服务，解决方案如图2所示。

2 系统总体设计

根据系统方案，本系统共分为三个部分，分别是实验室钥匙柜，网络交换机，后台服务器。

2.1 系统硬件结构

实验室钥匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而设计的，主要包括STM32F103ZET6[4]中央控制器模块，TCP/IP网络通信模块，指纹采集模块，电磁锁驱动模块，其电路结构如图3所示。

图2 解决方案图

图3 电路结构图

2.2 嵌入式处理器

STM32嵌入式处理器是ST公司基于ARM Crotex-M3内核的STM32F103ZET6STM32嵌入式处理，该处理器运行最快速度能够达到72MHz。

内部集成了512K的闪存程序存储器，以及高达64K字节的SRAM，支持睡眠、停机和待机模式[5]。根据STM32数据手册[6]，该处理器在IO方面多大112个快速IO，所有IO都支持中断处理，同时还配有13个通信接口，内部集成了5个USART接口、3个SPI接口、2个I2C接口、1个SDIO接口，FSMC和USB接口。这些丰富的外设资源使得这款芯片非常适合与本系统的开发，同时又提供了非常方便的后续升级和维护。

2.3 指纹验证模块

本系统的指纹采集模块主要用于进入系统采集验证指纹，当指纹验证正确的时候，钥匙柜自动打开电磁锁，教师便从柜子里面拿取实验室钥匙柜的钥匙。管理员也可以通过指纹验证进入系统，对钥匙柜进行系统设置。

本系统采用的FM-180指纹采集块，FM-180属于高亮背景光学头指纹识别设备，采用光学指纹传感器，由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。

指纹采集块和STM32是通过USART1来通信的，双方的通信按照通信协议进行数据传输。STM32的指令、模块的应答以及数据交换都是按照规定格式的数据包来进行的。主机必须按照通信协议要发送的指令或数据，也必须按协议解析收到的数据包。

2.4 网络模块

本系统的TCP/IP网络模块，主要是向管理服务器上传数据和报表。将数据正确发送到以太网、将以太网上的数据正确接收到是本网络模块的关键。要在以太网上正确传输数据，使用网络协议是必不可少的，而TCP/IP协议是首选。使用完整的TCP/IP协议当然能够实现上述要求，但由于本系统使用了嵌入式硬件和软件系统，其资源有限，因此必须对协议进行精简。所以，本系统要针对STM32嵌入式硬件进行TCP/IP协议的嵌入以及设计应用层的协议。

目前基于STM32嵌入式控制器的以太网设计都是嵌入是UIP协议。UIP是一个可实现的TCP/IP协议组件的一个非常重要的部分，UIP的实现目标是保持代码大小和存储器的使用量最小。UIP代码的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP栈要小很多。所以本系统中使用UIP协议栈。

2.5 GUI模块

本系统中钥匙柜终端的操作界面都是基于触摸屏来实现的，包括状态的显示，信息的输入，系统设置输入等都是通过触摸屏交互。钥匙柜端使用的触摸屏分辨是240*320，显示效果细腻、清晰。该TFT屏的控制是通过STM32的FSMC接口，再配合嵌入式图形软件uC/GUI，实现了简易明了的终端控制界面。

2.6 电磁锁驱动模块

本系统选用的电磁锁为瞬间通电，耗电省，结构简单，安装方便，使用成本低等优点。电磁锁工作参数是：工作电压12V，允许电流600mA，通电工作时间小于1S，允许通电最大时间10S，插销长度为10mm。综合以上电磁锁工作条件，本系统中STM32的GPIO口输出电流有限，因此需要加一级电流增强，所以利用GPIO控制小功率晶体管来驱动电磁锁，实现电磁锁的开关。GPIO通过限流电阻接到NPN晶体管的基极，晶体管的集电极接电磁锁，使用12V电源。当GPIO输出高电平时晶体管导通，电磁锁有电流流过，驱动插销工作，实现开关功能。

2.7 摄像头模块

本系统采用OV7670摄像头模块。OV7670是OV公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。该图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

2.8 数据报表

实验室管理软件在每一个时间段内都必须生成相应的数据报表，以记录实验室使用的具体情况[7]。数据报表保存在服务器的硬盘空间内，以便随时可以查看。本系统需要生成的数据报表格式如下表所示：

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3 应用系统设计

本系统中终端钥匙柜是直接挂接在实验室的门口，在使用实验室之前需要将指纹注册到系统，具体注册服务流程如图4所示。

图4 注册流程图

当教师需要使用实验室时，直接到实验室门口的指纹机进行验证指纹即可，具体的使用服务流程如图5所示。

图5 服务流程图

4 结论

本方案操作简单、使用方便，特别是将指纹验证与校园网老师考勤相结合，避免了每次实验需要实验室管理人员来开门的繁琐过程，也为老师专注学生实验、指导实验提供了方便，大大加强了实验教学效果。

本文旨在介绍了一种高效实验室智能化管理方案，期望有更加合理、完善的方案讨论，努力推进高校实验室的智能化和开放化，加强实验室创新性研究。

［1］何敏禄,杨全利.加强实验室管理与建设的有效途径[J].实验室科学,2007(4):123-124.

［2］李郁峰,高小明.基于网络的低成本实验室门禁管理系统[J].实验室研究与探索,2010(6):169-194.

［3］夏霆.智能家居安防监控系统与门禁系统[J].工艺与设备,2010(7):226-227.

［4］STMicroelectronics Ltd,RM0008 Reference manual:STM32F101XX,STM32F101 XX,STM32F10 2XX,STM32F103XX,STM32F105XX,STM32F107X X advanced ARM-based 32-bit MCUs Rev 9,2009[Z].

［5］Joseph Yiu.ARM Crotex-M3 权威指南[M].宋岩,译.北京:北 京航空 航天大 学出版社,2009.

［6］ARM Ltd Crotex-M3 Technical Reference Manual Rev r0p0,2006[Z].

［7］宗莲松.开放性实验室管理系统的构建研究[J].工实验科学与技术,2011(1):141-143.