实验室设备利用率远程监控装置系统设计

姜华 李进

摘  要：本文主要研究了一种实验室设备的利用率监控装置，该装置通过物联网络远程获取所需采集的实验室各设备的使用时间及利用率参数，并具有命令输入和必要信息的显示功能。系统采用DSPIC30F4013作为系统MCU，通过扫描条码将所需查询的设备信息传送至MCU，通过W5100单片网络接口芯片实现网络通信系统组网通信，远程读取各实验室设备的相关电流、电压及温度信息，传输至装置MCU进行后续分析，从而得到该设备的利用率和使用时间数据。

关键词：设备利用率;W5100;物联网;远程监控

中图分类号：TP311.52;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0157-04

Abstract：This paper mainly studies a monitoring device for the utilization rate of laboratory equipment. The device can acquire the time and utilization rate parameters of various laboratory equipment through the internet of things remotely，and has the function of command input and display of necessary information. The system uses DSPIC30F4013 as the system MCU，transmits the information of the inquiry equipment to MCU by scanning barcode，realizes network communication of network communication system through W5100 single chip network interface chip，reads the relevant current，voltage and temperature information of each laboratory equipment remotely to MCU for subsequent analysis，thus，the utilization rate and use time data of the equipment can be obtained.

Keywords：equipment utilization rate;W5100;internet of things;remote monitoring

0  引  言

隨着现代研究和实验室工作流程的演变，实验设备管理变得智能化，使数据能够真正发挥它的价值成为一种趋势，实验设备的管理与维护中，仪器设备利用率往往是非常关键但却容易被忽略的部分，抓取准确的利用率数据是减少实验室经营性运营费用并对仪器设备资产进行最优化组合的方法。为此，本文主要研究了一种实验室设备的利用率远程监控装置，该装置基于物联网技术，实时采集抓取设备的使用情况数据，不受设备种类的限制。该装置的基本实现原理就是通过采集各设备的实时工作电流、电压、温度等信息，通过物联网组网并传送至设备利用率装置进行分析，从而得到实验室各设备的使用时间及利用率。

1  系统构成

设备利用率装置的设计目的是：通过物联网实时地远程获取所需采集实验室各设备的使用时间及利用率参数，并具有命令输入和必要信息的显示功能，基于此，系统主要由电源模块、MCU最小系统、功能按键输入模块、条码扫描输入模块、互联网通信模块、液晶显示驱动模块组成，如图1所示。

系统中，电源模块的作用主要是为其他各功能模块提供相应的电源;功能按键输入模块用于给系统输入相应的指令信息;条码扫描输入模块的作用是通过扫描条码为系统输入所需查询的设备信息;互联网通信模块用于系统网络通信数据的处理和收发;液晶显示驱动模块用于显示必要的系统信息。

2  装置硬件设计

2.1  电源模块设计

实验室设备利用率监控装置采用直流24V稳压器供电，但由于装置电路中部分芯片和器件需要5V供电，部分芯片需要3.3V供电，为此需要设计5V及3.3V的电源电路。

2.1.1  5V电源设计

电路中5V电源部分采用MC34063AD实现，该芯片是一块单片DC/DC变换控制电路，其输出电压可调，内涵直流变换器所要求的主要功能，降压效率最高80%，峰值电流可达1.5A，其输入电压范围为3～40V，监控装置的供电电压为直流24V，满足其输入电压范围，具体实现电路如图2所示。

电路中，1脚SWC为芯片内部达林顿管的集电极，与7脚及8脚短接;2脚SWE为芯片内部达林顿管的发射极，外接稳压二极管IN5819，并通过电感L1与输出端连接;3脚TCAP为芯片内部振荡器定时电容连接端，外接定时电容C7，该电容决定了芯片的内部工作频率;4脚GND为芯片接地端，与数字地相连。5脚-VIN为反馈比较反向输入端，外接输出配置电阻R4和R8;6脚VCC为电源输入端，接24V直流输入。

本设计中，输出电压是由接在5脚上的配置电阻R4和R8调节，具体计算方式为：Vout=1.25（1+R4/R8），本设计中R4为3.6KΩ，R8为1.2KΩ，所以输出电压为5V。

2.1.2  3.3V电源设计

电路中3.3V电源部分采用三端稳压芯片AM117MP实现，该芯片是一块低压差线性稳压器LDO，本设计中，其输入端为5V，输出端固定为3.3V，输出电流最高达800mA，具体实现电路如图3所示。

电路中Vin是输入端，Vout是输出端，另一脚接GND，电容C47为输入滤波电容，C43、C45为输出滤波电容。

2.2  系统MCU选择及最小系统设计

MCU是设备利用率监控装置的系统核心，本设计采用的是Microchip公司的DSPIC30F4013-30I/PT，该芯片是一款高性能16位数字信号控制器，采用CMOS技术，宽电压范围供电（2.5～5.5V，本设计采用5V供电），共有44根引脚，拥有最高48KB的片上闪存程序存储空间，2KB的片上数据RAM，多达5个16位定时器，12位的A/D转换接口，该芯片不但具有常规的单片机特性，同时还具有双数据取操作、17*17位单周期硬件整数/小数乘法器等DSP特性，其数据运算速度很快，能夠满足系统的实时性和快速性要求。MCU最小系统原理如图4所示。

图4中DSPIC30F4013-30I/PT的7脚、17脚、28脚、40脚接5V，6脚、16脚、29脚、39脚接电源地，30脚OSC1是时钟信号输入脚，外接时钟电路，本设计晶振频率采用25MHz，C8、C9为晶振电容，18脚MCLR为复位引脚，外接按键复位电路，在此不再赘述。

2.3  网络通信模块设计

本设计中，各实验设备的利用率数据是通过物联网远程传送至设备利用率装置的，为此设计稳定可靠的网络通信系统就显得尤为关键，本系统采用的是北京恒信盈泰科技有限公司的W5100芯片，该芯片是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成了10M/100M以太网控制器，全硬件的TCP/IP协议栈，以太网介质传输层MAC和物理层PHY，与IEEE 802.3 10BASE-T和IEEE 802.3u100BASE-TX兼容，可实现无操作系统的Internet连接。网络通信模块的原理如图5所示。

W5100有三种方式与MCU接口，分别是直接总线接口、间接总线接口和SPI总线接口，本设计采用SPI总线接口方式，该模式下MCU与W5100间只需要4个引脚进行数据通信。如图4、5所示，W5100的SCLK、SCS、MOSI、MISO分别与DSPIC30F4013-30I/PT的43脚、21脚、1脚、44脚连接完成数据通信;W5100的复位输入脚RESET与DSPIC30F4013-30I/PT的41脚相连，以便MCU对其进行复位控制;中断输出脚INT与DSPIC30F4013-30I/PT的42脚相连，以便当W5100在端口（Socket）产生连接、断开、接收数据、数据发送完成以及通信超时等条件下，该引脚能输出信号以指示MCU;W5100的RXIP、RXIN、TXOP、TXON脚分别与HR9111-05A网络接口的TD+、TD-、RD+、RD-相连，通过它们接收从介质传输来的或向介质传输的差分数据信号;W5100的XTLP、XTLN引脚间连接的是芯片外部晶振电路，用于为芯片提供时钟信号，本设计中晶振频率选择25MHz，其他电路部分较为简单，这里不再赘述。

2.4  显示模块设计

本设计中采用常用的字符型液晶模块SMC1602A进行显示，该模块有16条引脚线，可以显示两行，每行16个字符，采用单5V电源供电，外围电路配置简单，模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符。SMC1602A具有8位数据总线DB0—DB7和RS、RW、E三个控制端口，并且带有字符对比度调节和背光设置。液晶显示模块的整体电路设计如图6所示。

为节省MCU的I/O口，本设计采用74LS164进行串转并后，通过74LS164的Q0—Q7分别与SMC1602A的数据口DB0—DB7相连，MCU的SCK、SDA脚分别与74LS 164的CLK和A脚相连，作为串行数据的时钟和数据口;SMC1602A的RS、RW、E三个控制端口分别与MCU的22脚、24脚、27脚相连，VO通过可变电阻R1与地相连，作为液晶背光调节。

2.5  条码扫描输入模块设计

条码扫描输入模块的作用是通过扫描条码为系统输入所需查询的某实验室设备的信息，进而系统通过网络远程获取其相关电压、电流等信息。本设计中通过条码扫描枪将所需采集设备的信息通过串行数据通信的方式输入至系统MCU进行后续处理，其硬件电路如图7所示。

图7中，条码扫描枪使用RS232串行通信接口，通过串行通信芯片MAX232ACSE将条码信息发送至MCU，扫描枪连接器的1、2、3、4脚分别通过电阻与MAX232ACSE的T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN相连，5脚接地;MAX 232ACSE的9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、11脚（T1IN）、12脚（R1OUT）分别通过电阻与DSPIC30F4013-30I/PT的35脚、32脚、2脚、3脚相连，构成MCU与扫描枪的串行接口电路;D12—D15为TVS瞬态抑制二极管，用于电路的ESD静电保护。

3  结  论

本文研究了一种实验室设备利用率检测装置的硬件系统设计，该系统采用DSPIC30F4013数字信号控制器作为系统MCU，通过扫描条码将所需查询的某实验室设备信息传送至MCU，通过互联网远程通信读取所需查询设备的相关参数信息，再由利用率检测装置的MCU分析计算后得到该设备的利用率信息。本设计操作方便，成本低廉，使用简单，系统运行稳定可靠，已经得到了实际应用，效果良好。

参考文献：

[1] 王广维，张浩然.基于ARM和W5100的嵌入式以太网通信接口设计 [J].微型机与应用，2011，30（5）：50-53.

[2] 陈实，王琪，张铁军，等.一种基于W5100的数据传输系统 [J].电子技术应用，2013，39（9）：54-56+60.

[3] 孟鹏花，司宝锋.基于dsPIC30F4013和CAN总线的传感器节点设计 [J].机械工程与自动化，2010（1）：97-99.

[4] 邱寄帆.数字电子技术 [M].北京：高等教育出版社，2015.

作者简介：姜华（1980-），男，汉族，江苏无锡人，硕士，研究方向：汽车零部件检测、智慧实验室建设;李进（1980-），女，汉族，山西右玉人，副教授，硕士，研究方向：物联网应用技术、嵌入式技术应用。