基于微控制器的智能化開放實驗室管理系統設計

楊 飛， 姜 鈞， 魏 英， 高晶敏， 易軍凱

（北京信息科技大學自動化學院，北京100192）

0 引 言

現代教育理論中最重要的一個方面就是最大限度地開發各個教育階段的學生符合其本身特性的創造性思維方式，營造一種寬松的學習環境，確保學生在這樣的學習環境中學習本領，吸取知識，并以最大限度增加動手和實踐的機會，使學生能夠實現自己的創意。在理工類大學教學科目中顯得特別重要。高校作為培養人才的沃土，在素質教育全面實施的過程中，實驗教學環節具有十分重要的地位［1-4］。開放性實驗教學環節是全面培養學生的動手能力、實踐與理論相結合能力以及創新能力的重要教學環節。特別是高校實驗室的管理與建設水平對實踐教學環節的質量影響非常大，對科學研究工作也起著關鍵性的作用。

目前，本科高校實驗室的信息處理及管理還處于原始的人工狀態，隨著高校招生規模的擴大，在校學生人數的快速增長，工程實驗室面向不同層次、不同專業的學生，需要承擔龐大的實驗任務。因此，實驗室的日常管理日趨繁重、復雜化。所以，提高實驗室管理水平、促進本科院校實驗室管理的信息化和智能化，是國家對人才培養模式改革創新的客觀要求，也是新建本科院校實驗室管理和使用水平評估的一個重要觀測點。文獻［5］中開發了一套基于B／S架構的物聯網實驗室管理平臺；文獻［6］中研究設計了基于ZigBee的實驗室智能管理系統，能夠實現多棟實驗樓實驗室環境的智能監測和電氣設備的集中控制；文獻［7］中提出了一種“軟件智能化、硬件易實施、管理遠程化、自助一體化、極高安全性”的新型電工電子開放實驗室智能管理系統；文獻［8］中利用輔助的軟硬件系統構建信息化、智能化的實驗室設備管理系統的理念。從以上參考文獻中可看出目前實驗室的智能化管理的研究得到了廣泛關注，但是這些文獻中要么設計的系統過于復雜，不利于實際應用，要么沒有給出具體的設計過程。

本文設計了一套基于Arduino控制器和非接觸式IC卡的實驗室智能化管理系統，具有設計結構清晰，應用方便等特點，同時給出了具體的設計過程，各個實驗室可以根據該套系統的設計理念自行設計滿足自身需求的智能管理系統。該套系統用來協助高校實驗室管理人員對學生和實驗設備進行快速方便管理，從根本上改變傳統的實驗室管理依靠全人工的管理模式，消除全人工管理所帶來的種種弊端，降低實驗室管理人員的工作量，提高了實驗教學環節的質量，為實驗室的科學、規范化管理提供了切實可行的方案，對推進高校實驗室智能化管理工作建設具有重要意義。

Arduino是一款源自于意大利的開放源代碼的硬件項目平臺，該平臺基于AVR單片機，具有使用便捷靈活、方便上手等優點。Arduino可以用來開發交互產品，比如它可以讀取大量的開關和傳感器信號，并且可以控制電燈、電機和其他各式各樣的物理設備；又可以開發出與PC相連的周邊裝置，在運行時能和PC上的軟件進行通信。目前Arduino官方的硬件版本有20種左右，比如I／O口較多功能齊全的Arduino Mega 2560開發板、結構精簡的Arduino Mini開發板等，可以滿足不同應用類型用戶的需求［9-16］。

1 系統總體設計

實驗室智能管理系統主要功能是應用RFID技術，通過IC卡感應模塊讀取無線射頻卡的信息，通過卡號識別持卡人信息，判斷持卡人所具有的權限，然后，根據不同的權限執行不同的操作。通過實驗室智能管理系統、參加實驗的學生和實驗室的管理人員三者之間的密切配合和信息的交流高效地完成實驗室的管理工作，使實驗室內的教學資源得到最大限度的利用。該系統主要由兩個子系統組成：實驗臺端子系統和管理員端子系統。其中，實驗臺端子系統是系統的主要部分，負責實驗臺環境的監測和學生實驗情況的管理；管理員端子系統是系統的輔助部分，主要用來收集從實驗臺端發送來的信息，并進行相應的處理。

實驗臺端子系統如圖1所示。該子系統主要完成非接觸式IC卡的讀寫，測量記錄數據的顯示，電源的控制和數據的傳輸等工作。由于該子系統需要使用較多的I／O口因此選擇Arduino Mega 2560作為主控芯片。該子系統主要由Arduino Mega 2560、IC卡感應模塊、TFT液晶顯示模塊、時鐘芯片模塊、溫濕度模塊、無線傳輸模塊、LED、繼電器、蜂鳴器等部分構成。

圖1 實驗臺端子系統構成

管理員端子系統如圖2所示，該子系統主要完成對實驗臺端子系統發來的消息的處理工作。該子系統不需要占用太多的I／O資源，使用Arduino Uno作為主控芯片即可實現相應的功能。該子系統由Arduino UNO、無線數傳模塊、1602液晶顯示模塊、LED1、LED2、RS485通信接口、PC機Arduino串口等部分構成。

圖2 管理員端子系統構成

2 系統硬件設計

2.1 實驗臺端子系統硬件設計

實驗臺子系統電路的主控制器為Arduino Mega 2560，顯示部件選擇的是TFT彩屏液晶顯示屏，它與主控制器Arduino Mega 2560通過32根數據線相連，如圖3所示，只有其中的28根數據線用來傳輸數據，其余4根為懸空線（NC）。

主控制器通過無線數傳模塊和管理員端子系統進行信息交換，無線數傳模塊與主控制器之間只需要通過兩根數據線連接，其中一根用作發送數據，另一根用作接收數據。IC卡讀寫模塊為SPI接口，因而通過4根線與主控制器相連，SDA連接SPI通信器件的使能端，SPI1、SPI2、SPI3 分別對應SPI接口的SCK、MISO、MOSI，如圖4所示。

圖3 Arduino Mega 2560與顯示器接口電路

圖4 IC卡讀寫模塊電路

DHT11溫濕度傳感器的電路連接如圖5所示。DHT11為單總線溫濕度測量模塊，該模塊連接較為簡單，只需使用1 kΩ的上拉電阻連接到DHT11數據端，然后將數據端與主控板連接即可。

圖5 DHT11溫濕度模塊

圖6 Arduino UNO主控板部分接口電路

2.2 管理員端子系統硬件設計

實驗室智能管理系統的管理員端子系統主控制器為Arduino UNO，如圖6所示。

顯示部件選擇的是LCD1602液晶顯示屏，它與主控制器Arduino UNO通過6根數據線相連，如圖7所示。其中，有4根線接液晶數據輸入端口的DB4、DB5、DB6、DB7，另外兩根接液晶的使能端EN和指令、數據選擇端RS，由于該系統中只需要對液晶進行寫數據，因此，R／W直接接地，工作于寫模式。主控制器通過無線數傳模塊和實驗臺端子系統進行信息交換，無線數傳模塊與主控制器之間只需要通過兩根數據線連接，如圖8所示。其中一根用作發送數據，另一根用作接收數據。另外，需要外接兩個LED作為接收到信息類型的指示信號，當紅色LED亮起時說明收到了“Help”信息，當綠色LED亮起時說明收到了“Finish”信息。

圖7 LCD 1602液晶顯示電路

圖8 無線數傳收發模塊電路

3 系統軟件設計

系統的軟件設計流程如圖9所示。在系統的電源開啟后顯示系統的初始畫面，初始畫面的內容為當前的時間、當前的實驗室溫濕度、實驗臺的編號、3個按鈕（Help按鈕、Finish按鈕、Close按鈕）；當有老師或學生刷卡時，液晶顯示持卡人的信息。由于老師和學生的權限不同，刷卡之后顯示的畫面有所差異，老師刷卡后進入打分的界面，而學生刷卡后進入實驗計時畫面，系統處于實時監測實驗臺安全的狀態；當實驗臺出現危險或是學生未在規定的時間內完成實驗，將會發出警告，并在一定的時間內關閉實驗臺的電源；在安全且未超時的情況下，學生可以通過實驗臺上的按鍵向實驗室管理員發出求助信號或在實驗完成后發出實驗結束信號；管理員會根據學生實驗用時和實驗的結果給予分數，打分之前，管理員首先在實驗臺刷卡獲得相應的權限后進行，打分后按確定鍵完成打分，將分數存儲后，一段時間后關閉實驗臺電源，也可選擇手動關閉電源。

圖9 系統的軟件設計流程

4 系統測試

管理員接收到學生實驗完成信息后，到達發送消息的實驗臺為學生打分。教師刷卡后將會出現如圖10的打分界面，輸入分數后然后按下Enter鍵后分數將會發送到管理員端的電腦，學生再次刷卡后分數記錄到非接觸式IC卡中。

成績記錄結果如圖11所示。其中62為學生的卡號，111為管理員的卡號，卡號為62的學生的得分為89分。

圖10 管理員打分界面

圖11 管理員接收到分數信息

5 結 語

開放實驗室智能管理系統充分利用了先進的微處理器技術、計算機技術和網絡通信技術，通過對于實驗室內的教學資源和儀器設備進行監測控制、統籌管理，讓實驗室的使用更加安全、有效。本文開發的基于Arduino微控制器的智能實驗室管理系統初步實現了實驗室的智能化管理。今后可以將該系統與數據庫技術和網絡技術相結合，通過internet實現遠程開放實驗室智能化管理。