高校實驗室智能管理方案設計

劉 濱

（東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌330013）

0 引言

針對目前高校實驗室，使用人員有管理員、教師、學生等，進入時間既有正常工作時間，也有晚上、周末等課余時間，而且實驗室還要學生進行開放，如何對實驗室進行高效、安全、便捷的管理變得復雜[1]。實驗室的開放，主要是對門開放，而門禁系統主要有門磁和電磁鎖兩種方式[2]，權限管理主要有卡式和指紋兩種，采用門磁方式存在的主要問題是市電停電，門磁即失效，安全沒保證。采用卡式權限控制存在的主要問題是對卡的管理變得復雜。

為此本系統針對不改變傳統房門的結構，轉為對鑰匙的智能管理來實現低成本、安裝快捷方便、管理簡單高效的智能門禁。通過指紋識別技術，網絡技術對鑰匙的使用權限進行實驗室智能管理。

1 系統方案及架構

本方案旨在通過嵌入式軟件硬件結合，在網絡的支撐下，形成網絡化的智能鑰匙管理服務。網絡化智能鑰匙管理是基于網絡服務器技術的智能化信息管理系統，是綜合多元化的鑰匙管理工作的需求，在充分分析研究了高校實驗室管理的基礎上設計的，是基于實際工作環境的研究設計，目的就是為了規范實驗室的日常管理[3]，減輕管理人員一些瑣碎的工作。根據實驗室管理的特點及功能需求，系統分為4大功能版塊，如圖1所示。

圖1 功能板塊圖

針對實驗室鑰匙管理需求，以及在鑰匙管理上帶來的管理服務，解決方案如圖2所示。

2 系統總體設計

根據系統方案，本系統共分為三個部分，分別是實驗室鑰匙柜，網絡交換機，后臺服務器。

2.1 系統硬件結構

實驗室鑰匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而設計的，主要包括STM32F103ZET6[4]中央控制器模塊，TCP/IP網絡通信模塊，指紋采集模塊，電磁鎖驅動模塊，其電路結構如圖3所示。

圖2 解決方案圖

圖3 電路結構圖

2.2 嵌入式處理器

STM32嵌入式處理器是ST公司基于ARM Crotex-M3內核的STM32F103ZET6STM32嵌入式處理，該處理器運行最快速度能夠達到72MHz。

內部集成了512K的閃存程序存儲器，以及高達64K字節的SRAM，支持睡眠、停機和待機模式[5]。根據STM32數據手冊[6]，該處理器在IO方面多大112個快速IO，所有IO都支持中斷處理，同時還配有13個通信接口，內部集成了5個USART接口、3個SPI接口、2個I2C接口、1個SDIO接口，FSMC和USB接口。這些豐富的外設資源使得這款芯片非常適合與本系統的開發，同時又提供了非常方便的后續升級和維護。

2.3 指紋驗證模塊

本系統的指紋采集模塊主要用于進入系統采集驗證指紋，當指紋驗證正確的時候，鑰匙柜自動打開電磁鎖，教師便從柜子里面拿取實驗室鑰匙柜的鑰匙。管理員也可以通過指紋驗證進入系統，對鑰匙柜進行系統設置。

本系統采用的FM-180指紋采集塊，FM-180屬于高亮背景光學頭指紋識別設備，采用光學指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構成，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等項功能。

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議進行數據傳輸。STM32的指令、模塊的應答以及數據交換都是按照規定格式的數據包來進行的。主機必須按照通信協議要發送的指令或數據，也必須按協議解析收到的數據包。

2.4 網絡模塊

本系統的TCP/IP網絡模塊，主要是向管理服務器上傳數據和報表。將數據正確發送到以太網、將以太網上的數據正確接收到是本網絡模塊的關鍵。要在以太網上正確傳輸數據，使用網絡協議是必不可少的，而TCP/IP協議是首選。使用完整的TCP/IP協議當然能夠實現上述要求，但由于本系統使用了嵌入式硬件和軟件系統，其資源有限，因此必須對協議進行精簡。所以，本系統要針對STM32嵌入式硬件進行TCP/IP協議的嵌入以及設計應用層的協議。

目前基于STM32嵌入式控制器的以太網設計都是嵌入是UIP協議。UIP是一個可實現的TCP/IP協議組件的一個非常重要的部分，UIP的實現目標是保持代碼大小和存儲器的使用量最小。UIP代碼的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP棧要小很多。所以本系統中使用UIP協議棧。

2.5 GUI模塊

本系統中鑰匙柜終端的操作界面都是基于觸摸屏來實現的，包括狀態的顯示，信息的輸入，系統設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，實現了簡易明了的終端控制界面。

2.6 電磁鎖驅動模塊

本系統選用的電磁鎖為瞬間通電，耗電省，結構簡單，安裝方便，使用成本低等優點。電磁鎖工作參數是：工作電壓12V，允許電流600mA，通電工作時間小于1S，允許通電最大時間10S，插銷長度為10mm。綜合以上電磁鎖工作條件，本系統中STM32的GPIO口輸出電流有限，因此需要加一級電流增強，所以利用GPIO控制小功率晶體管來驅動電磁鎖，實現電磁鎖的開關。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GPIO輸出高電平時晶體管導通，電磁鎖有電流流過，驅動插銷工作，實現開關功能。

2.7 攝像頭模塊

本系統采用OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV公司生產的一顆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位影像數據。該產品VGA圖像最高達到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。該圖像傳感器應用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩定的彩色圖像。

2.8 數據報表

實驗室管理軟件在每一個時間段內都必須生成相應的數據報表，以記錄實驗室使用的具體情況[7]。數據報表保存在服務器的硬盤空間內，以便隨時可以查看。本系統需要生成的數據報表格式如下表所示：

?

3 應用系統設計

本系統中終端鑰匙柜是直接掛接在實驗室的門口，在使用實驗室之前需要將指紋注冊到系統，具體注冊服務流程如圖4所示。

圖4 注冊流程圖

當教師需要使用實驗室時，直接到實驗室門口的指紋機進行驗證指紋即可，具體的使用服務流程如圖5所示。

圖5 服務流程圖

4 結論

本方案操作簡單、使用方便，特別是將指紋驗證與校園網老師考勤相結合，避免了每次實驗需要實驗室管理人員來開門的繁瑣過程，也為老師專注學生實驗、指導實驗提供了方便，大大加強了實驗教學效果。

本文旨在介紹了一種高效實驗室智能化管理方案，期望有更加合理、完善的方案討論，努力推進高校實驗室的智能化和開放化，加強實驗室創新性研究。

［1］何敏祿,楊全利.加強實驗室管理與建設的有效途徑[J].實驗室科學,2007(4):123-124.

［2］李郁峰,高小明.基于網絡的低成本實驗室門禁管理系統[J].實驗室研究與探索,2010(6):169-194.

［3］夏霆.智能家居安防監控系統與門禁系統[J].工藝與設備,2010(7):226-227.

［4］STMicroelectronics Ltd,RM0008 Reference manual:STM32F101XX,STM32F101 XX,STM32F10 2XX,STM32F103XX,STM32F105XX,STM32F107X X advanced ARM-based 32-bit MCUs Rev 9,2009[Z].

［5］Joseph Yiu.ARM Crotex-M3 權威指南[M].宋巖,譯.北京:北 京航空 航天大 學出版社,2009.

［6］ARM Ltd Crotex-M3 Technical Reference Manual Rev r0p0,2006[Z].

［7］宗蓮松.開放性實驗室管理系統的構建研究[J].工實驗科學與技術,2011(1):141-143.