基于嵌入式智能電子實驗室控制系統的設計

潘心斌

摘 要：隨著高校實驗室的管理越來越繁重，人工監管的消耗日益增多，為減少人力和時間的消耗，提高實驗室管理效率，設計了基于嵌入式智能電子實驗室控制系統。

關鍵詞：嵌入式;實驗室;控制系統

0引言

隨著高校實驗室教學改革的深入發展，各個實驗室的管理工作變得越加繁重，管理人員的數量偏少，工作量多，是當前高校普遍現象之一，這種傳統的管理方法，已經無法適應發展趨勢。

嵌入式技術作為當今主流技術之一，在各個領域中應用廣泛，具有智能、便捷等特點。本文基于嵌入式技術和zigbee技術，設計了智能電子實驗室控制系統，該系統可以解決當前管理人員實驗室管理工作繁重，同時采用zigbee技術，實現從有線到無線的過程。

1系統總體設計

本控制系統設計如圖1所示，由上位機、無線門禁系統和智能插座系統三部分組成。其中上位機包括主機、協調器節點以及相應軟件組成。上位機通過協調器與無線門禁系統和智能插座系統進行通信，負責數據的上傳和下發，實現對子系統的控制。無線門禁系統采用RFID讀卡器、終端節點和電磁鎖組成。終端節點接收RFID讀卡器的信號，控制電磁鎖進行延時開門或關門操作。智能電源插座系統設有終端節點，在接收上位機發出的信號后，進行自動啟停，同時設有過流保護電路，防止意外事故出現，影響使用人員和設備的安全。

2系統硬件設計

2.1協調器和終端節點硬件設計

本設計使用終端節點均使用以CC2530模塊為核心的器件。它結合了高性能的2.4GHz DSSS射頻發射器，具有極高的靈敏度和抗干擾能力，具有21路通用I/O口，12位分辨率的ADC，有2個支持多種串行通信協議的強大USART。

2.2 門禁系統終端節點設計

門禁系統終端節點由RFID模塊和CC2530模塊 組成，其中RFID模塊主要是采用MFRC522芯片，是一種非接觸式讀寫卡芯片，支持各種不同主機接口的功能，包括SPI接口、I2C接口和串行USART等。其中對于串行USART接口，傳輸速率可達1228.8kbits/s，同時具備低功耗的硬件復位功能。門禁系統終端節點與CC2530模塊連接，當門禁系統接收到開鎖指令后，輸出高電平，控制固態繼電器常開觸點閉合，接通電磁鎖進行電源開鎖。

2.3電源插座終端節點設計

電源插座終端節點由CC2530模塊、過電流保護模塊和固態繼電器組成，過電流保護模塊的繼電器常閉觸點與固態繼電器常開觸點接在電源插座的回路中，其中CC2530模塊給固態繼電器輸出高電平后，由固態繼電器的輔助觸點得電接通電路。當電路中電流大于設定值時，過電流保護模塊的繼電器常閉觸點將自動斷開，實現過流保護。當電流恢復到設定值以下時，常閉觸點閉合，電路正常運行。

3系統軟件設計

3.1協調器和終端節點軟件設計

協調器和終端節點軟件流程如圖2所示。首先，協調器和終端節點進行初始化，主要是對網絡參數進行復位;其次，檢測是否接收到上位機或者其他終端節點的數據;最后，將從終端接收的數據上傳至上位機，或者將上位機發出的數據下發至其他終端節點。

3.2門禁系統終端節點軟件設計

協調器和終端節點軟件流程如圖3所示。首先，門禁系統終端節點進行網絡參數初始化;其次，根據RFID讀卡器的數據狀態進行反饋，如果RFID讀卡器接收到數據，將數據通過協調器上傳至上位機。如果是上位機發出指令，則會判斷是開鎖或關鎖指令。

3.3電源插座終端節點軟件設計

電源插座終端節點軟件流程如圖4所示。首先，將網絡參數進行初始化，插座處于斷電狀態;其次，在接收到上位機的指令后，控制插座接通電源。當出現電流過大時，插座終端自動關閉該電源，同時向上位機發出過流信號，上位機將對插座終端節點發出斷電指令。

4系統調試

在所有程序編寫或編譯無誤后，下載至協調器和各個終端節點中，進行調試：

RFID讀卡器可以正確讀卡，且可以將數據傳遞給各個節點，再上傳至上位機，同時也可以接受上位機的控制指令，再發送至各個節點;門禁系統節點可以接收上位機的控制指令，完成開鎖和關鎖信號，可以檢測到門打開的時間，當超過預定時間后發出警報，將信號上傳至上位機;電源插座終端節點可以接收上位機的開通或關閉指令，完成相應操作和數據回傳。

5結語

本文主要介紹了基于嵌入式智能電子實驗室控制系統的硬、軟件設計，通過RFID和Zigbee技術，可以滿足開放實驗室管理的基本要求。關于本文的不足之處，還可以增加其他節點，包括溫濕度、煙霧等感知節點，提升實驗室管理的效率。

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