實(shí)驗(yàn)室智能化管理方案設(shè)計(jì)論文

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1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室鑰匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而設(shè)計(jì)的，主要包括STM32F103ZET6中央控制器模塊，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊，指紋采集模塊，電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊。

1.2嵌入式處理器

STM32嵌入式處理器是ST公司基于ARMCrotex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6STM32嵌入式處理，該處理器運(yùn)行最快速度能夠達(dá)到72MHz。內(nèi)部集成了512K的閃存程序存儲(chǔ)器，以及高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式。根據(jù)STM32數(shù)據(jù)手冊，該處理器在IO方面多大112個(gè)快速IO，所有IO都支持中斷處理，同時(shí)還配有13個(gè)通信接口，內(nèi)部集成了5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、1個(gè)SDIO接口，F(xiàn)SMC和USB接口。這些豐富的外設(shè)資源使得這款芯片非常適合與本系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)又提供了非常方便的后續(xù)升級和維護(hù)。

1.3指紋驗(yàn)證

模塊驗(yàn)證正確的時(shí)候，鑰匙柜自動(dòng)打開電磁鎖，教師便從柜子里面拿取實(shí)驗(yàn)室鑰匙柜的鑰匙。管理員也可以通過指紋驗(yàn)證進(jìn)入系統(tǒng)，對鑰匙柜進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。本系統(tǒng)采用的FM-180指紋采集塊，F(xiàn)M-180屬于高亮背景光學(xué)頭指紋識別設(shè)備，采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。指紋采集塊和STM32是通過USART1來通信的，雙方的通信按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STM32的指令、模塊的應(yīng)答以及數(shù)據(jù)交換都是按照規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包來進(jìn)行的。主機(jī)必須按照通信協(xié)議要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按協(xié)議解析收到的數(shù)據(jù)包。

1.4網(wǎng)絡(luò)模塊

本系統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊，主要是向管理服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和報(bào)表。將數(shù)據(jù)正確發(fā)送到以太網(wǎng)、將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)正確接收到是本網(wǎng)絡(luò)模塊的關(guān)鍵。要在以太網(wǎng)上正確傳輸數(shù)據(jù)，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是必不可少的，而TCP/IP協(xié)議是首選。使用完整的TCP/IP協(xié)議當(dāng)然能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求，但由于本系統(tǒng)使用了嵌入式硬件和軟件系統(tǒng)，其資源有限，因此必須對協(xié)議進(jìn)行精簡。所以，本系統(tǒng)要針對STM32嵌入式硬件進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的嵌入以及設(shè)計(jì)應(yīng)用層的協(xié)議。目前基于STM32嵌入式控制器的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)都是嵌入是UIP協(xié)議。UIP是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議組件的一個(gè)非常重要的部分，UIP的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是保持代碼大小和存儲(chǔ)器的使用量最小。UIP代碼的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP棧要小很多。所以本系統(tǒng)中使用UIP協(xié)議棧。

1.5GUI模塊

本系統(tǒng)中鑰匙柜終端的操作界面都是基于觸摸屏來實(shí)現(xiàn)的，包括狀態(tài)的顯示，信息的輸入，系統(tǒng)設(shè)置輸入等都是通過觸摸屏交互。鑰匙柜端使用的觸摸屏分辨是240*320，顯示效果細(xì)膩、清晰。該TFT屏的控制是通過STM32的FSMC接口，再配合嵌入式圖形軟件uC/GUI，實(shí)現(xiàn)了簡易明了的終端控制界面。

1.6電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)選用的電磁鎖為瞬間通電，耗電省，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。電磁鎖工作參數(shù)是：工作電壓12V，允許電流600mA，通電工作時(shí)間小于1S，允許通電最大時(shí)間10S，插銷長度為10mm。綜合以上電磁鎖工作條件，本系統(tǒng)中STM32的GPIO口輸出電流有限，因此需要加一級電流增強(qiáng)，所以利用GPIO控制小功率晶體管來驅(qū)動(dòng)電磁鎖，實(shí)現(xiàn)電磁鎖的開關(guān)。GPIO通過限流電阻接到NPN晶體管的基極，晶體管的集電極接電磁鎖，使用12V電源。當(dāng)GPIO輸出高電平時(shí)晶體管導(dǎo)通，電磁鎖有電流流過，驅(qū)動(dòng)插銷工作，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。

1.7攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOSVGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。該圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

1.8數(shù)據(jù)報(bào)表

實(shí)驗(yàn)室管理軟件在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)都必須生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，以記錄實(shí)驗(yàn)室使用的具體情況。數(shù)據(jù)報(bào)表保存在服務(wù)器的硬盤空間內(nèi)，以便隨時(shí)可以查看。

2結(jié)論

本方案操作簡單、使用方便，特別是將指紋驗(yàn)證與校園網(wǎng)老師考勤相結(jié)合，避免了每次實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)室管理人員來開門的繁瑣過程，也為老師專注學(xué)生實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)提供了方便，大大加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。本文旨在介紹了一種高效實(shí)驗(yàn)室智能化管理方案，期望有更加合理、完善的方案討論，努力推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室的智能化和開放化，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新性研究。

作者：劉濱 單位：東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院