實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐可

摘要：為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理控制中效率低下、準(zhǔn)確性差、實(shí)時(shí)性差等問題，該文介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的ARM平臺(tái)以及RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)以及485總線方式進(jìn)行信息組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)各設(shè)備之間的交互，并通過上位機(jī)接收并處理信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理以及記錄使用信息等功能。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理的效率，為師生的實(shí)踐教學(xué)提供更加便利的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)備；智能控制；ARM；RFID

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）27-0233-02

目前大部分高校的實(shí)驗(yàn)室管理仍處于人工管理的狀態(tài)，管理效率低下。隨著學(xué)生自主上機(jī)做實(shí)驗(yàn)次數(shù)和時(shí)間的增加，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理效率的高低，直接影響著設(shè)備的使用效率和學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)的效果，因此本文打算通過嵌入式系統(tǒng)提高實(shí)驗(yàn)室管理的效率。通過該系統(tǒng)，教師可以準(zhǔn)確掌握設(shè)備的狀態(tài)，提高設(shè)備使用效率。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要包括了三個(gè)模塊：實(shí)驗(yàn)桌供電模塊，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備使用記錄模塊，實(shí)驗(yàn)設(shè)備借出與歸還以及私自帶出檢測模塊。

其中實(shí)驗(yàn)桌供電模塊是一個(gè)讀卡裝置作為桌控功能來實(shí)現(xiàn)的，學(xué)生通過注冊的校園卡，來進(jìn)行對(duì)實(shí)驗(yàn)桌的供電操作。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用記錄模塊就學(xué)生在從實(shí)驗(yàn)箱里面取用設(shè)備之前需要先刷校園卡進(jìn)行記錄，并在使用完設(shè)備的時(shí)候再一次刷卡作為使用結(jié)束記錄。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備借出與歸還以及私自帶出檢測模塊是通過門前的RFID識(shí)別裝置來防止設(shè)備的非法帶出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU芯片介紹

系統(tǒng)使用的CPU修改后的圖如圖1所示。為了上位機(jī)區(qū)別請求信號(hào)的來源，所以在上面添加了一個(gè)撥碼開關(guān)作為桌號(hào)的標(biāo)識(shí)。如圖1中的圈起的模塊為撥碼開關(guān)。

對(duì)應(yīng)的芯片引腳連接圖及其功能如圖2所示。

如圖2所示P1.4引腳連接蜂鳴器用來提示卡是否合法。P1.7引腳連接地址撥碼開關(guān)，用來給設(shè)備一個(gè)唯一的ID值，用于確定上機(jī)信號(hào)的來源；其中18～25號(hào)引腳對(duì)應(yīng)具體的地址位選擇。P0.3～P0.7用來與讀卡天線之間進(jìn)行交互，分別串行輸出，時(shí)鐘，輸入，片選和復(fù)選。

2.2 讀卡天線模塊介紹

系統(tǒng)的讀卡天線實(shí)物圖如圖3所示，天線讀取用戶卡信息之后與交于讀卡機(jī)芯片處理，之后與CPU進(jìn)行交互，將信息交給CPU進(jìn)行處理。引腳直接與圖1所示的CPU連接。

2.3 設(shè)備地址選擇部件介紹

地址選擇器是作為區(qū)分信號(hào)來源的標(biāo)識(shí)。如圖4所示，使用方式如圖1所示。

此模塊使用一個(gè)8位撥碼開關(guān)作為ID標(biāo)識(shí)，為了防止數(shù)量不夠，在本系統(tǒng)中又添加了附加位來增加可用的位數(shù)，通過P1.7口來進(jìn)行控制；另外的8個(gè)數(shù)據(jù)位是通過CPU上的18～25號(hào)引腳來對(duì)其進(jìn)行賦0和置1操作的。修改后的9地址位的線路圖如圖5所示。該地址選擇器基本能滿足實(shí)驗(yàn)室的要求。當(dāng)CPU向上位機(jī)發(fā)送請求時(shí)，一起發(fā)送地址選擇器的ID這樣就可以區(qū)分出信號(hào)的來源。

2.4 繼電器模塊介紹

繼電器模塊是系統(tǒng)不可或缺的模塊，應(yīng)為系統(tǒng)最終的目的確定是否對(duì)實(shí)驗(yàn)桌供電。繼電器模塊如圖6所示。

繼電器模塊直接通過排線與CPU進(jìn)行信息交互，連線圖見圖1右上角和圖6的左上角。上位機(jī)返回比對(duì)信息給CPU后，CPU從而控制繼電器的開關(guān)，進(jìn)而確定是否給實(shí)驗(yàn)桌供電。

2.5 485總線介紹

RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)制訂并發(fā)布的，1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)是基于PC機(jī)上windows系統(tǒng)開發(fā)的，使用c#語言的winform編程來實(shí)現(xiàn)軟件的圖形界面編程。Winform編程具有界面設(shè)計(jì)簡單，拓展性強(qiáng)，較低服務(wù)器消耗，易于維護(hù)等特點(diǎn)。

系統(tǒng)的功能模塊圖如7所示。

系統(tǒng)的設(shè)備借取功能的設(shè)計(jì)界面如圖8和9所示，使用者直接點(diǎn)擊相應(yīng)的功能按鈕就能進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能模塊中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的借取與歸還。設(shè)備與用戶信息直接通過閱讀器錄入。

同時(shí)系統(tǒng)提供管理員模塊對(duì)設(shè)備的信息進(jìn)行進(jìn)一步的管理。可登錄后臺(tái)的人員分為超級(jí)管理員、一般管理員、維修人員三種身份，管理權(quán)限依次降低。其中超級(jí)管理員可使用的功能有借用信息查看、設(shè)備借用管理、設(shè)備信息管理、人員以及身份管理、以及維修記錄登記模塊。

4 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理控制中效率低、準(zhǔn)確性差、實(shí)時(shí)性差等問題，本文開發(fā)一套高效、實(shí)時(shí)、可靠的無人值守的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)的ARM平臺(tái)以及RFID技術(shù)。采用Zigbee技術(shù)以及485總線方式進(jìn)行信息組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)各設(shè)備之間的交互，并通過上位機(jī)接收并處理信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理以及記錄使用信息等功能。本系統(tǒng)具有可裁剪性強(qiáng)，功能健全等特點(diǎn)，可以應(yīng)對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備的管理。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)極大地提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理的效率，并提高了設(shè)備的安全性，為師生帶來更方便的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

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