實驗室器件智能管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張立立， 柳軼天， 邱 陽， 鮑玉斌

(東北大學 計算機科學與工程學院,沈陽 110819)

0 引 言

眾所周知，當下人工智能[1-2]領域的發(fā)展迅速，而在我國，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[3]其中提到，新一代人工智能發(fā)展分3個步驟走的戰(zhàn)略目標[4]，使中國在2030年人工智能理論技術達到世界先進水平。而在實驗室這個科研圣地，“智能”二字顯得尤為重要。如今各高校均有開展自主性實驗[5-6]，如何對實驗室器件的存入和取出的管理成為一個新的課題，管理不好，則使物品擺放變得雜亂無章，而使用機械鎖來存儲物品，又不符合當下智能的時代。因此，針對實驗室器件的管理[7-8]，進行開發(fā)設計一種智能的存儲管理系統(tǒng)，既保證了從傳統(tǒng)意義上講每個物品存儲的安全性，同時又使不同種類的物品智能[9]分類。并為實驗室管理員配置權限密碼，從而整體提高了實驗室管理的安全性。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 功能介紹

當實驗室管理員儲存一批采購的實驗器件時，首先進入管理員界面，輸入管理員權限密碼，密碼正確，則進入存器件界面，若輸入錯誤，則系統(tǒng)會發(fā)出警告，并在顯示屏上提醒你沒有權限操作，這時系統(tǒng)會進入戒備狀態(tài)，在一段時間內無法重新使用。

進入存物界面后，系統(tǒng)在接收到存物命令后，掃描系統(tǒng)中是否有空柜，如果未存滿則打開一個空箱，成功后系統(tǒng)將提示管理員存儲成功。對于同一類屬的不同物品，可以存放在同一個柜子當中。

當科研人員取器件時，需輸入實驗器件的編碼，系統(tǒng)會根據(jù)輸入的編碼進行校驗檢測，如果匹配成功，則打開對應的柜門取出物品。如果未匹配成功，即輸入錯誤，則系統(tǒng)會提示重新輸入，若連續(xù)輸錯3次，則系統(tǒng)會退出取器件界面。

1.2 設計流程圖

結合系統(tǒng)功能，總體的流程圖如圖1所示。

圖1 設計總流程圖

2 系統(tǒng)硬件部分設計

2.1 設計方案

整個系統(tǒng)的硬件構成部分為：電控鎖模塊(用于連接儲物柜)，微控制器，顯示屏，外接鍵盤。為了降低開發(fā)成本，同時為了更加通俗易懂的說明問題，微控制器選用STC系列芯片。

系統(tǒng)可由多個這樣的子系統(tǒng)構成，多個子系統(tǒng)組合起來并具有分層結構時，可形成多層的神經網絡。構成一個子系統(tǒng)的硬件結構框架如圖2所示。

2.2 各部分模塊介紹

(1) 微控制器。STC系列芯片[10]采用STC89C54，共40個引腳，其中有4個8位并行I/O口(P0,P1,P2,P3)。其中P0口用于控制柜門的打開與閉合；P1口用于微控制器與外設鍵盤之間的通信；P2口用于微控制器與顯示器之間的數(shù)據(jù)傳遞，P3口用于微控制器對顯示器發(fā)各種的控制信息，用于屏幕的初始化，切換等的控制。

圖2 子系統(tǒng)結構框架圖

(2) 電控鎖模塊。電控鎖的電學性質大致上為給予某個電平時會打開鎖，給予相反的電平時則會關閉，由于微控制器使用的是5 V電壓，而電控鎖工作電壓為DC12V，開鎖瞬時電流(1～3 A)，故電路連接時需通過連接NE555集成芯片進行電流的放大，以驅動電控鎖中的電磁繼電器[11]吸合，從而控制電控鎖的開和閉。圖3所示即為電路設計，當NE555芯片CV端給予一個低電平時，電控鎖中的電磁繼電器就會短時間內吸合，電控鎖打開，配合儲物柜柜門的彈簧，就能實現(xiàn)柜門的自動打開，其延時時間可調節(jié)電阻R8與電容C4進行調節(jié)，延時時間t=1.1×R8×C4,電路設計中的延時大約為100 ms。

圖3 電控鎖模塊仿真圖

(3) 顯示屏模塊。采用液晶顯示屏LCD 12864，其在便攜式儀器中有著廣泛的使用[12]，如轉速表、計算器、萬用表等。便攜式儀表基本都具備鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊，以便于人機操作和設置。由于液晶模塊程序操作簡單，故在微控制器的開發(fā)過程中經常作為常用的電路模塊進行系統(tǒng)的整體結構設計。

采用AMPIRE128X64型LCD12864，將P2口作為數(shù)據(jù)傳輸端與LCD12864的DB0～DB7相連，控制端與P3口相接，使能端E與P3.0相接，命令數(shù)據(jù)選擇端RS與P3.5相接，讀寫選擇端R/W與P3.1相接，左屏片選CS1與右屏片選CS2分別與P3.6和P3.7相接，按照LCD12864通信協(xié)議，用單片機C語言編寫程序以控制LCD顯示預期效果，如圖4所示。

圖4 LCD12864與單片機連接圖

3 系統(tǒng)軟件算法設計

為實現(xiàn)上述功能,需要重點考慮的問題有對權限密碼和編碼的生成，記錄，核對及消除，顯示界面的切換，以及同一柜子儲存多種物品的算法設計。

各界面的切換算法是根據(jù)外接鍵盤掃描模塊所返回得到的鍵值進行不同的操作[13]。為使程序編程簡單明朗化，將該模塊分兩個函數(shù)[14]來編寫：operation(uchar key)函數(shù)和show(uchar n)函數(shù)，編程時對每個界面編一個號，設置一個全局變量interface記錄當前界面標號，程序operation(key)根據(jù)鍵值對各全局變量進行改動和記錄。同時根據(jù)處理情況的不同，對interface進行賦值。show(interface)函數(shù)為界面的顯示函數(shù)，需設置一個全局變量記錄上一次的界面標號，show(n)函數(shù)運行前先將當前界面標號和上一次標號進行對比，假如改變則清一次屏，再顯示當前界面。

一柜多物多碼算法是利用計算機網絡[15]中的循環(huán)冗余校驗算法，將管理員存入器件的數(shù)據(jù)信息，即柜子號，器件種類號，器件自身二進制編號，儲存在微控制器中，并將其除以生成多項式，把結果作為冗余碼，并附在數(shù)據(jù)后面，類似于發(fā)送方。取件者輸入的信息加上冗余碼構成接收方接收到的數(shù)據(jù)。通過判斷數(shù)據(jù)除以生成多項式的余數(shù)是否為0來確定是否輸入錯誤。

此編碼實際上是一個循環(huán)移位的模2運算，本文以 5 bits的寄存器為例來說明這種算法。通過反復的移位和進行冗余碼的除法，最終該寄存器中的值去掉最高一位就是所要求的余數(shù)。上述步驟用下面的偽代碼描述為：

把reg中的值置0.

把原始的數(shù)據(jù)后添加r個0.

While (數(shù)據(jù)未處理完)

Begin

If (reg首位是1)

reg = reg XOR 0011.

把reg中的值左移一位，讀入一個新的數(shù)據(jù)并置于register的0 bit的位置。

End

reg的后四位就是我們所要求的余數(shù)。

這種算法簡單，容易實現(xiàn)，對任意長度生成多項式的G(x)都適用。在器件編碼信息不長的情況下可以使用。

軟件設計還包括：LCD12864顯示界面設計和矩陣鍵盤按鍵掃描模塊等，這些模塊算法設計相對簡單，這里不再表述。

4 軟硬件系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試階段中，每一部分設計都先單獨進行測試，整個硬件系統(tǒng)也是先在電腦上進行仿真設計后，再進行實物測試，最后進行了系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調[16]。在系統(tǒng)設計過程中，遇到了一些問題，并對設計過程進行總結歸納，得到了問題的解決方法。

(1) LCD12864 顯示不出字問題。①問題描述。LCD12864 在Rv1連接確認無誤的情況下，屏幕顯示空白，并且沒有對比度，屏幕上有很多白點，無法清除。②原因。因為采用的是不帶字庫的12864，器件引腳本身的參數(shù)特性不穩(wěn)定，導致字體時有時無。③解決辦法。在LCD12864背面的貼片上焊接一個20 kΩ的滑動變阻器，用以調節(jié)Rv1。由于實驗室中沒有此參數(shù)的變阻器，故用兩個10 kΩ的滑動變阻器代替。

(2) LCD12864 顯示串屏問題。①問題描述。在進行實物操作時，會發(fā)現(xiàn)當屏幕切換時，如果新的屏幕有地方沒有字，則會被上一個屏幕的字替換掉，一直清除不掉。并且當開發(fā)板斷電之后立即重新通電，會保留斷電前的界面，除非斷電后很長一段時間后再上電。②原因。LCD12864 切屏方式的問題，它默認只改變新的屏幕中新出現(xiàn)的地方，不會對未改變的地方清除。③解決辦法。通過編程，將原本沒有字的地方寫空，這樣屏幕上所有的點在屏幕切換中，都會接受新的數(shù)據(jù)，這樣就徹底將原本的屏幕數(shù)據(jù)覆蓋，從而達到屏幕清晰顯示的特點。

(3) 繼電器控制不穩(wěn)定問題。①問題描述。在實物連接早期，會出現(xiàn)一個現(xiàn)象，即使單片機控制繼電器的引腳發(fā)出的是高電平，繼電器仍能夠觸發(fā)(繼電器設置低電平觸發(fā)方式)。②原因。繼電器觸發(fā)電平范圍比較大，單片機提拉電阻取值不合適。③解決辦法。選用合適阻值的提拉電阻。

5 結 語

整個系統(tǒng)可由多個子系統(tǒng)分布式組合而構成，而整個大系統(tǒng)又可以分為若干個區(qū)域，每一個管理員管理一個區(qū)域，管理員存器件和科研人員取器件同時完成，實現(xiàn)多人同時存取。

由于每一個子系統(tǒng)都含有一個微控制器，多個微控制器組合則構成一個快速，高效的處理器，這些處理器分層分布時，可以構成多層的隱含層，使整個系統(tǒng)具有深度學習的功能。結合當下人工智能領域的計算機視覺技術的發(fā)展，可以將管理員權限密碼推廣為管理員面部識別。