实验室智能化管理方案设计论文

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1系统总体设计

1.1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。

1.2嵌入式处理器

STM32嵌入式处理器是ST公司基于ARMCrotex-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。根据STM32数据手册，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。

1.3指纹验证

模块验证正确的时候，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。

1.4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。

1.5GUI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。

1.6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。

1.7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。

1.8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。数据报表保存在服务器的硬盘空间内，以便随时可以查看。

2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。

作者：刘滨 单位：东华理工大学机械与电子工程学院