智能實(shí)驗(yàn)室電子元件收納與儲存裝置

程 序，黎佳藝，楊佳瑞，嚴(yán) 偉，高 赫，王逸泓，李

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.浙江正遠(yuǎn)智能裝備科技有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

電子元件是電子電路中的基本元素，常用于高校理工科科學(xué)研究和電器、無線電、儀表等工業(yè)生產(chǎn)中。資料顯示，一個普通的電子類實(shí)驗(yàn)室中所存放的電子元件多達(dá)300 種，大型實(shí)驗(yàn)室多達(dá)1 000 多種。電子元件種類繁多、數(shù)量巨大，在管理上給工作人員造成了巨大麻煩。另外，電子元件較為脆弱、易被腐蝕，容易造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，甚至安全隱患。因此，各種電子元件的安全儲存、智能檢索是實(shí)驗(yàn)室中亟待解決的關(guān)鍵問題。

中外研究人員針對以上問題進(jìn)行了研究。早期日本的學(xué)者設(shè)計了一款傳統(tǒng)的電子元件收納盒[1]，能夠部分解決上述問題；但是，此裝置體積較為龐大，智能化程度較低，不適用于如今的實(shí)驗(yàn)室。2019 年安徽理工大學(xué)學(xué)者謝旭等研究出了一種多功能電子元器件收納裝置，采用了電磁鎖模塊與LED 來顯示被檢索電子元件位置；然而，這種檢索方式智能化、自動化程度仍有待改進(jìn)[2]。

為了解決繁多電子元件在實(shí)驗(yàn)室中的管理問題，本文設(shè)計一款實(shí)驗(yàn)室智能電子元件收納與儲存裝置。首先，在Biot-Savart Law 的基礎(chǔ)上建立電磁傳動系統(tǒng)，負(fù)責(zé)柜體的機(jī)械傳動；基于智能語音交互建立了語音檢索系統(tǒng)，用于識別用戶語音詞條及定位所需元件；基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建立了安全保障系統(tǒng)，對整機(jī)及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、傳輸與儲存。然后，對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，初步驗(yàn)證了所建立模型的可行性與可靠性。最后，根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)與建模搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并將整機(jī)投入試驗(yàn)，驗(yàn)證了本裝置的可行性與便捷性。

1 裝置重要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目旨在開發(fā)一種基于智能語音交互（IVR）和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT），并應(yīng)用于電子實(shí)驗(yàn)室的智能電子元件收納與儲存裝置，如圖1 所示。本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)分為三大部分：基于螺旋管漏磁通原理的動力系統(tǒng)、基于智能語音交互的檢索系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的安全保障系統(tǒng)。

圖1 裝置整體示意圖

1.1 基于螺旋管漏磁通原理的動力系統(tǒng)

如圖2 所示，本裝置的動力系統(tǒng)主要由儲物抽屜、推拉式電磁鐵與固定件（L 形支架等）三個部分組成。儲物抽屜用于儲存電子元件，固定件用于固定推拉式電磁鐵以實(shí)現(xiàn)其緊固。

圖2 動力系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，在動力系統(tǒng)中，繼電器用于控制各個支路中電流的有無。

圖3 動力系統(tǒng)原理圖

STC89C52 微控制器在接收外界信息后對繼電器發(fā)射電頻信號，使繼電器觸點(diǎn)發(fā)生改變，電流通過電磁鐵。推拉式電磁鐵主要由線圈、動滑桿和靜鐵芯電源控制器等配件組成，它運(yùn)用螺旋管的漏磁通原理，利用電磁鐵動滑桿和靜鐵心長距離吸合實(shí)現(xiàn)牽引桿的直線往復(fù)運(yùn)動。因此，當(dāng)螺線圈中有電流通過時，推拉式電磁鐵發(fā)生作用，形成推的動作，此時抽屜即可打開。復(fù)位彈簧使推出的推桿復(fù)位以方便下一次推拉電磁鐵的正常運(yùn)作。

1.2 基于智能語音交互的檢索系統(tǒng)

智能語音交互輔助系統(tǒng)主要由語音識別模塊與語音反饋模塊組成，如圖4、圖5 所示。語音識別模塊負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)譯人類語言并將其轉(zhuǎn)化為電頻信號發(fā)送給Z3735F 控制器。語音反饋模塊負(fù)責(zé)以人類語言形式反饋執(zhí)行結(jié)果。

圖4 智能檢索與語音識別原理圖

圖5 語音反饋原理圖

如圖4 所示，在語音識別模塊中，首先咪頭接收并轉(zhuǎn)換外界語音信息，通過頻譜分析來提取語言特征識別語音信息，并將識別結(jié)果傳輸至Z3735F 控制器；接著，Z3735F 控制器通過內(nèi)接以串口通信和GPIO 為中間媒介的MCU 進(jìn)行計算，輸出字符串，識別詞匯列表后將關(guān)鍵詞語列表傳輸回語音識別模塊；最后，控制器通過射頻識別技術(shù)開始檢索相應(yīng)電頻信號所對應(yīng)的電子元件并將其位置信息發(fā)送至語音反饋模塊。

如圖5 所示，在語音反饋模塊中，Z3735F 控制器接收到語音識別模塊的識別結(jié)果后，發(fā)送藍(lán)牙信號至揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器接收后根據(jù)預(yù)設(shè)的人聲語音庫，反饋信息給實(shí)驗(yàn)員。同時Z3735F 控制器發(fā)送電頻信號至繼電器，動力系統(tǒng)做出反應(yīng)。

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的安全保障系統(tǒng)

如圖6 所示，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由傳感器、控制芯片、效應(yīng)器與RFID 射頻四個部分組成。通過霍爾電流感應(yīng)器、濕度傳感器、溫度傳感器等傳感器與超聲波感應(yīng)器等實(shí)時采集電子元件各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，利用RFID 標(biāo)簽儲物抽屜、RFID讀寫器以及計算器控制終端對電子元件進(jìn)行射頻識別，進(jìn)一步進(jìn)行防靜電、防消磁、數(shù)量檢測等一系列處理。通過半導(dǎo)體冷氣片、電子吸濕器等進(jìn)一步改善電子元件儲存環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時反饋、終端實(shí)時控制、安全實(shí)時保障的功效。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

2 裝置先進(jìn)性說明

2.1 處理器革新

本產(chǎn)品創(chuàng)造性地采用Intel Atom Processor Z3735F 處理器，改進(jìn)了常用單片微機(jī)芯片控制的傳統(tǒng)方式，將編程的重心與難度從硬件編程轉(zhuǎn)向軟件編程。相比于采用STM32 作為主控芯片，Z3735F 處理器具有更優(yōu)良的性能與兼容性，簡化了編程手段，能夠解決較多傳統(tǒng)單片微機(jī)解決不了的問題。同時，Z3735F 處理器克服了傳統(tǒng)單片機(jī)接口不足的問題，具有更好的擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)設(shè)備的加裝與升級。

2.2 三核處理系統(tǒng)

本產(chǎn)品構(gòu)建了以Intel Atom Processor Z3735F 處理器為總控的“三核”處理系統(tǒng)，即語音系統(tǒng)核、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)核與傳動系統(tǒng)核。三核均采用STC89C52 芯片，其采集或接收的電平信號均在Z3735F 總處理器中生成或接收。三塊芯片相輔相成，互相促進(jìn)，降低了裝置成本，提升了工作效率，簡化了電路設(shè)計，減輕了低級芯片在裝置中的工作負(fù)荷，有利于裝置的長久運(yùn)行，提升了設(shè)備穩(wěn)定性。

2.3 物聯(lián)保障安全

本產(chǎn)品內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)安全保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時反饋、終端實(shí)時控制和安全實(shí)時保障，能夠在實(shí)際應(yīng)用中高效管理實(shí)驗(yàn)室電子元件，減少電子實(shí)驗(yàn)室安全隱患，保障電子實(shí)驗(yàn)室安全。

3 裝置使用手冊及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)示例

3.1 “小飛棍”智慧操作系統(tǒng)的使用

如圖7 所示，“小飛棍”智慧操作系統(tǒng)分為端口開關(guān)面板、語音輔助面板、物聯(lián)信息面板、柜體控制面板、輔助調(diào)試面板、手動溫控面板。其中，端口開關(guān)面板用于打開連接各個二級芯片的串口；語音輔助面板用于發(fā)送智能交互語音；物聯(lián)信息面板用于監(jiān)測電子元件各項(xiàng)數(shù)據(jù)并將其存入ADO 數(shù)據(jù)庫；柜體控制面板用于手動打開指定柜體和鑒別柜體中是否含有電子元件；輔助調(diào)試面板用于裝置故障時問題的檢測與故障的修復(fù)；手動溫控面板用于特殊情況下手動打開溫度控制系統(tǒng)保護(hù)裝置與電子元件的安全。

圖7 “小飛棍”智慧系統(tǒng)控制面板圖

當(dāng)使用者需要從柜體中取出所需電子元件時，有以下兩種方法可供選擇：

（1）語音檢索法

在“語音端口及收發(fā)助手”及“傳動端口”面板中，選擇二者對應(yīng)芯片所連接的串口號，并點(diǎn)擊“打開”，此時若輔助調(diào)試面板上出現(xiàn)“語音端口/傳動端口已打開！”字樣，則已成功打開兩個端口。接著，如圖8 所示，使用者可通過人聲喚醒詞條喚醒語音檢索系統(tǒng)，在語音檢索系統(tǒng)發(fā)出一級應(yīng)答后可發(fā)出命令詞條；儲物抽屜經(jīng)電磁傳動系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，語音檢索系統(tǒng)發(fā)出二級應(yīng)答，使用者即可存取電子元件，完成所需電子元件存取后需將儲物抽屜歸位。

圖8 智能語音詞條表

（2）手動檢索法

打開“傳動端口”對應(yīng)的串口，在柜體控制面板上點(diǎn)擊想要打開的柜體，所需柜體機(jī)可自動打開。

當(dāng)使用者需要獲取裝置所測出的物聯(lián)數(shù)據(jù)時：

①需要獲取實(shí)時溫度、濕度與設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)時，使用者可從物聯(lián)信息面板中直接讀取。若需要獲取較為長期數(shù)據(jù)時，可打開軟件后臺，進(jìn)入ADO 數(shù)據(jù)庫并將其記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Excel 表格，保存并讀取。

②需要獲取柜體中電子元件是否為空時，使用者可直接讀取柜體控制面板，若某柜體上標(biāo)記為“空”時，則此柜體中無任何電子元件。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用

裝置打開后，再打開“傳感端口”與“傳動端口”所對應(yīng)的串口，即可打開并使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。如圖7 所示，顯示溫度正常范圍：-15～25 ℃，顯示濕度正常范圍：0%～45%。適宜儲存溫度為0 ～26 ℃，適宜儲存濕度為10%～26.5%。當(dāng)溫度、濕度均在以上范圍內(nèi)，則物聯(lián)網(wǎng)效應(yīng)器不工作。

若采集到的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)在正常范圍之外（如：26 ℃），系統(tǒng)則向智慧屏發(fā)出提醒，半導(dǎo)體冷氣片及其附屬效應(yīng)器自動工作，降低收納柜內(nèi)溫度，直至溫度恢復(fù)正常范圍之內(nèi)，溫度監(jiān)測圖如圖9 所示；若采集到的實(shí)時濕度數(shù)據(jù)在正常范圍之外（如：26.5%），系統(tǒng)則向智慧屏發(fā)出提醒，電子除濕器及其附屬效應(yīng)器自動工作，調(diào)節(jié)收納柜內(nèi)濕度，直至濕度保持在正常范圍之內(nèi)，濕度監(jiān)測圖如圖10 所示。

圖9 2022 年9 月15 日溫度監(jiān)測折線圖

圖10 2022 年9 月15 日濕度監(jiān)測折線圖

3.3 關(guān)于本產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的使用

本裝置內(nèi)置基于ADO 的數(shù)據(jù)庫，能夠以Excel 表格的形式自動記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行時溫濕度變化、柜體中零件存放時間等。若需獲取數(shù)據(jù)，使用者須將控制面板調(diào)為“開發(fā)者模式”，再保存數(shù)據(jù)庫到計算機(jī)磁盤即可完成查閱。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）模塊化設(shè)計為系統(tǒng)拓展功能提供可能性，為系統(tǒng)維護(hù)提供針對性，便于優(yōu)化、升級。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，電路設(shè)計簡化，安全系數(shù)高，穩(wěn)定性較強(qiáng)，適于實(shí)驗(yàn)室使用。

（3）基于智能語音交互的高效收納系統(tǒng)提高了實(shí)驗(yàn)室收納效率。

（4）物聯(lián)網(wǎng)安全保障系統(tǒng)的靈活運(yùn)用能夠保障電子元件的安全儲存，避免造成損失。