基于微控制器的智能化开放实验室管理系统设计

杨 飞， 姜 钧， 魏 英， 高晶敏， 易军凯

（北京信息科技大学自动化学院，北京100192）

0 引 言

现代教育理论中最重要的一个方面就是最大限度地开发各个教育阶段的学生符合其本身特性的创造性思维方式，营造一种宽松的学习环境，确保学生在这样的学习环境中学习本领，吸取知识，并以最大限度增加动手和实践的机会，使学生能够实现自己的创意。在理工类大学教学科目中显得特别重要。高校作为培养人才的沃土，在素质教育全面实施的过程中，实验教学环节具有十分重要的地位［1-4］。开放性实验教学环节是全面培养学生的动手能力、实践与理论相结合能力以及创新能力的重要教学环节。特别是高校实验室的管理与建设水平对实践教学环节的质量影响非常大，对科学研究工作也起着关键性的作用。

目前，本科高校实验室的信息处理及管理还处于原始的人工状态，随着高校招生规模的扩大，在校学生人数的快速增长，工程实验室面向不同层次、不同专业的学生，需要承担庞大的实验任务。因此，实验室的日常管理日趋繁重、复杂化。所以，提高实验室管理水平、促进本科院校实验室管理的信息化和智能化，是国家对人才培养模式改革创新的客观要求，也是新建本科院校实验室管理和使用水平评估的一个重要观测点。文献［5］中开发了一套基于B／S架构的物联网实验室管理平台；文献［6］中研究设计了基于ZigBee的实验室智能管理系统，能够实现多栋实验楼实验室环境的智能监测和电气设备的集中控制；文献［7］中提出了一种“软件智能化、硬件易实施、管理远程化、自助一体化、极高安全性”的新型电工电子开放实验室智能管理系统；文献［8］中利用辅助的软硬件系统构建信息化、智能化的实验室设备管理系统的理念。从以上参考文献中可看出目前实验室的智能化管理的研究得到了广泛关注，但是这些文献中要么设计的系统过于复杂，不利于实际应用，要么没有给出具体的设计过程。

本文设计了一套基于Arduino控制器和非接触式IC卡的实验室智能化管理系统，具有设计结构清晰，应用方便等特点，同时给出了具体的设计过程，各个实验室可以根据该套系统的设计理念自行设计满足自身需求的智能管理系统。该套系统用来协助高校实验室管理人员对学生和实验设备进行快速方便管理，从根本上改变传统的实验室管理依靠全人工的管理模式，消除全人工管理所带来的种种弊端，降低实验室管理人员的工作量，提高了实验教学环节的质量，为实验室的科学、规范化管理提供了切实可行的方案，对推进高校实验室智能化管理工作建设具有重要意义。

Arduino是一款源自于意大利的开放源代码的硬件项目平台，该平台基于AVR单片机，具有使用便捷灵活、方便上手等优点。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制电灯、电机和其他各式各样的物理设备；又可以开发出与PC相连的周边装置，在运行时能和PC上的软件进行通信。目前Arduino官方的硬件版本有20种左右，比如I／O口较多功能齐全的Arduino Mega 2560开发板、结构精简的Arduino Mini开发板等，可以满足不同应用类型用户的需求［9-16］。

1 系统总体设计

实验室智能管理系统主要功能是应用RFID技术，通过IC卡感应模块读取无线射频卡的信息，通过卡号识别持卡人信息，判断持卡人所具有的权限，然后，根据不同的权限执行不同的操作。通过实验室智能管理系统、参加实验的学生和实验室的管理人员三者之间的密切配合和信息的交流高效地完成实验室的管理工作，使实验室内的教学资源得到最大限度的利用。该系统主要由两个子系统组成：实验台端子系统和管理员端子系统。其中，实验台端子系统是系统的主要部分，负责实验台环境的监测和学生实验情况的管理；管理员端子系统是系统的辅助部分，主要用来收集从实验台端发送来的信息，并进行相应的处理。

实验台端子系统如图1所示。该子系统主要完成非接触式IC卡的读写，测量记录数据的显示，电源的控制和数据的传输等工作。由于该子系统需要使用较多的I／O口因此选择Arduino Mega 2560作为主控芯片。该子系统主要由Arduino Mega 2560、IC卡感应模块、TFT液晶显示模块、时钟芯片模块、温湿度模块、无线传输模块、LED、继电器、蜂鸣器等部分构成。

图1 实验台端子系统构成

管理员端子系统如图2所示，该子系统主要完成对实验台端子系统发来的消息的处理工作。该子系统不需要占用太多的I／O资源，使用Arduino Uno作为主控芯片即可实现相应的功能。该子系统由Arduino UNO、无线数传模块、1602液晶显示模块、LED1、LED2、RS485通信接口、PC机Arduino串口等部分构成。

图2 管理员端子系统构成

2 系统硬件设计

2.1 实验台端子系统硬件设计

实验台子系统电路的主控制器为Arduino Mega 2560，显示部件选择的是TFT彩屏液晶显示屏，它与主控制器Arduino Mega 2560通过32根数据线相连，如图3所示，只有其中的28根数据线用来传输数据，其余4根为悬空线（NC）。

主控制器通过无线数传模块和管理员端子系统进行信息交换，无线数传模块与主控制器之间只需要通过两根数据线连接，其中一根用作发送数据，另一根用作接收数据。IC卡读写模块为SPI接口，因而通过4根线与主控制器相连，SDA连接SPI通信器件的使能端，SPI1、SPI2、SPI3 分别对应SPI接口的SCK、MISO、MOSI，如图4所示。

图3 Arduino Mega 2560与显示器接口电路

图4 IC卡读写模块电路

DHT11温湿度传感器的电路连接如图5所示。DHT11为单总线温湿度测量模块，该模块连接较为简单，只需使用1 kΩ的上拉电阻连接到DHT11数据端，然后将数据端与主控板连接即可。

图5 DHT11温湿度模块

图6 Arduino UNO主控板部分接口电路

2.2 管理员端子系统硬件设计

实验室智能管理系统的管理员端子系统主控制器为Arduino UNO，如图6所示。

显示部件选择的是LCD1602液晶显示屏，它与主控制器Arduino UNO通过6根数据线相连，如图7所示。其中，有4根线接液晶数据输入端口的DB4、DB5、DB6、DB7，另外两根接液晶的使能端EN和指令、数据选择端RS，由于该系统中只需要对液晶进行写数据，因此，R／W直接接地，工作于写模式。主控制器通过无线数传模块和实验台端子系统进行信息交换，无线数传模块与主控制器之间只需要通过两根数据线连接，如图8所示。其中一根用作发送数据，另一根用作接收数据。另外，需要外接两个LED作为接收到信息类型的指示信号，当红色LED亮起时说明收到了“Help”信息，当绿色LED亮起时说明收到了“Finish”信息。

图7 LCD 1602液晶显示电路

图8 无线数传收发模块电路

3 系统软件设计

系统的软件设计流程如图9所示。在系统的电源开启后显示系统的初始画面，初始画面的内容为当前的时间、当前的实验室温湿度、实验台的编号、3个按钮（Help按钮、Finish按钮、Close按钮）；当有老师或学生刷卡时，液晶显示持卡人的信息。由于老师和学生的权限不同，刷卡之后显示的画面有所差异，老师刷卡后进入打分的界面，而学生刷卡后进入实验计时画面，系统处于实时监测实验台安全的状态；当实验台出现危险或是学生未在规定的时间内完成实验，将会发出警告，并在一定的时间内关闭实验台的电源；在安全且未超时的情况下，学生可以通过实验台上的按键向实验室管理员发出求助信号或在实验完成后发出实验结束信号；管理员会根据学生实验用时和实验的结果给予分数，打分之前，管理员首先在实验台刷卡获得相应的权限后进行，打分后按确定键完成打分，将分数存储后，一段时间后关闭实验台电源，也可选择手动关闭电源。

图9 系统的软件设计流程

4 系统测试

管理员接收到学生实验完成信息后，到达发送消息的实验台为学生打分。教师刷卡后将会出现如图10的打分界面，输入分数后然后按下Enter键后分数将会发送到管理员端的电脑，学生再次刷卡后分数记录到非接触式IC卡中。

成绩记录结果如图11所示。其中62为学生的卡号，111为管理员的卡号，卡号为62的学生的得分为89分。

图10 管理员打分界面

图11 管理员接收到分数信息

5 结 语

开放实验室智能管理系统充分利用了先进的微处理器技术、计算机技术和网络通信技术，通过对于实验室内的教学资源和仪器设备进行监测控制、统筹管理，让实验室的使用更加安全、有效。本文开发的基于Arduino微控制器的智能实验室管理系统初步实现了实验室的智能化管理。今后可以将该系统与数据库技术和网络技术相结合，通过internet实现远程开放实验室智能化管理。