高校开放实验室智能管理系统的设计

苏海洋

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.