具有無線聯網功能的實驗室設備管理裝置的研究

伏啟陽，肖 丹

(1.齊齊哈爾電視臺錄制部，黑龍江齊齊哈爾 161000;2.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150080)

隨著我國科教水平的提高，政府在科研教學方面的投入力度不斷加大，目前國內的科研教學硬件設施在某些領域已經可以與國外一流的大學和科研院所相媲美。但國內的管理水平和先進設備的利用率遠不如國外。我國實驗室的管理方式依然是傳統的、封閉式的管理，每個實驗室都需要固定的專業人員來管理，使用者要想進入實驗室，首先要和工作人員聯系，然后辦理使用手續，過程煩瑣，費時費力。因此，從實際出發，利用射頻技術和無線GPRS技術，設計可以滿足實驗室管理的射頻卡裝置，實現實驗室的無人化管理。

1 系統實現功能

主要針對國內實驗室管理水平落后的現狀，借鑒國外發達國家先進實驗室設備的管理經驗，將目前風靡全球的射頻卡技術、GPRS技術應用于實驗室設備管理中，進而實現實驗室設備的無人化、智能化和網絡化管理，改變制度和管理上的落后局面。系統功能示意圖如圖1所示:

本系統在設計上主要實現以下功能:

(1)實現校園卡、公交卡一卡通，用戶不必另行購卡。

(2)對持卡用戶可以設定使用權限、使用時間。

(3)可以通過上位機軟件遠程修改用戶使用權限，開通和終止設備的使用。

(4)用戶對設備的使用情況存儲于系統內，并通過GPRS網絡實時上傳到計算機。

圖1 系統功能示意圖Fig.1 System function schematic

2 系統整體設計

本系統為實現無人化和智能管理功能，在設計中將系統分成主控部分、射頻卡讀卡部分、GPRS無線數傳部分、按鍵及顯示部分、時鐘部分、存儲部分和電源控制部分等，如圖2所示。

其中主控部分是本系統的核心部分，主要負責系統的管理和調度。考慮到實時性和可靠性問題，在設計中選用可嵌入操作系統的單片機。本設計選用PIC24系列單片機，該單片機可嵌入FreeRTOS操作系統，可保證系統的可靠控制和穩定的數據傳輸。射頻卡讀卡部分在設計中主要從通用性角度考慮，盡量簡化硬件設計，實現對設備使用權限的管理。它是人機交互接口之一，是用戶進行身份認證的通道，有效的射頻卡在授權范圍內，使用者可以通過射頻認證來使用設備，無效卡則被拒之門外。GPRS無線數傳部分主要實現設備使用狀態信息、參數設置等數據的實時傳輸。

圖2 系統整體框圖Fig.2 System overall block

3 射頻卡接收部分的選擇與設計

射頻卡又稱非接觸式IC卡，是近年發展起來的一項新技術，它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破［1］。

本系統設計采用完美公司生產的EMID只讀模塊WM01－T。WM－01T模塊屬于通用型射頻讀卡傳感器，也被稱作讀卡器模塊、讀卡頭、讀卡譯碼模塊、讀卡感應器和讀卡機模塊等。其主要功能是:讀卡，將卡號輸出給其他控制設備(如門禁控制器，加油機控制器等)，啟動特定功能的運行(如開門、加油等)。

由于該讀卡器無內置天線，因此，需要使用者根據需求自行設計制作。射頻模塊所匹配的天線線圈的參數必須準確，否則讀鑰性能達不到設計要求。制作天線時必須用儀器測量其參數。本設計根據實際需要設計了與射頻模塊匹配的天線參數(見表1)。該線圈對鑰匙型感應體的識別距離為45mm，對卡片型感應體為90mm。天線的尺寸與讀卡距離有關，天線的尺寸減小將縮短讀卡距離［2］。

4 無線數據傳輸部分的選擇與設計

GPRS具有永遠在線、按傳輸流量計費的特點，不僅適用于大批量數據傳輸，還適用于間斷的小批量的數據傳輸。它的優點尤其體現在遠程數據傳輸和遙測遙控應用領域中［3］。本系統主要利用單片機來驅動ME3000V2無線GPRS模塊，實現無線聯網，與遠程計算機端到端的通信方式。

表1 天線設計參數Tab.1 Antenna design parameters

ME3000V2模塊是中興公司新推出的高性能通信模塊，主要由基帶處理器、射頻模塊、閃存、供電模塊、天線接口、SIM卡接口等組成，支持AT指令集。其內部集成了嵌入式TCP/IP協議，可以進行透明與不透明的傳輸。與國外同類型模塊如MC52i和MC35等相比，具有很大的價格優勢。另外，在電路設計上，ME3000V2也相對簡單，管腳復雜度低，外圍元器件需要較少，管腳接線圖如圖3所示。由于GPRS模塊為3.7V供電，因此，在設計中需根據單片機的接口設計相應的電平轉換電路。

圖3 ME3000V2管腳接線圖Fig.3 ME3000V2 pin wiring diagram

5 結論

實踐表明，本系統具有很高的穩定性和準確性，人機界面友好，易于操作，功能齊全。由于均采用通用器件和模塊設計，具有可擴展性，也可用于其他設備的管理，具有很廣闊的應用前景和實用價值。

［1］楊友文.射頻IC卡系統的應用［J］.合肥工業大學學報(自然科學版)，2002，25(z1):982 －984.

［2］付磊，邱力軍.基于RFID技術的射頻卡讀寫器設計［J］.第四軍醫大學學報，2007，28(14):1332 －1334.

［3］趙亮.GPRS無線網絡在遠程數據采集中的應用［J］.計算機工程與設計，2005，26(9):2552 －2554.