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1、实验室智能化管理方案设计论文实验室智能化管理方案设计论文1 系统总体设计系统硬件结构实验室钥匙控制柜是基于嵌入式 STM32 硬件而设计的，主要包括 STM32F103ZET6 中央控制器模块，TCP/IP 网络通信模块，指纹采集模块，电磁锁驱动模块。嵌入式处理器STM32 嵌入式处理器是 ST 公司基于 ARMCrotex-M3 内核的 STM32F103ZET6STM32 嵌入式处理，该处理器运行最快速度能够达到 72MHz。内部集成了 512K 的闪存程序存储器，以及高达 64K 字节的 SRAM，支持睡眠、停机和待机模式。根据 STM32 数据手册，该处理器在 IO 方面多大 112
2、个快速IO，所有 IO 都支持中断处理，同时还配有 13 个通信接口，内部集成了 5 个 USART 接口、3 个 SPI 接口、2 个 I2C 接口、1 个 SDIO 接口，FSMC 和 USB 接口。这些丰富的外设资源使得这款芯片非常适合与本系统的开发，同时又提供了非常方便的后续升级和维护。指纹验证模块验证正确的时候，钥匙柜自动打开电磁锁，教师便从柜子里面拿取实验室钥匙柜的钥匙。管理员也可以通过指纹验证进入系统，对钥匙柜进行系统设置。本系统采用的 FM-180 指纹采集块，FM-180 属于高亮背景光学头指纹识别设备，采用光学指纹传感器，由高性能 DSP 处理器和FLASH 等芯片构成，具
3、有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。指纹采集块和 STM32是通过 USART1 来通信的，双方的通信按照通信协议进行数据传输。STM32 的指令、模块的应答以及数据交换都是按照规定格式的数据包来进行的。主机必须按照通信协议要发送的指令或数据，也必须按协议解析收到的数据包。网络模块本系统的 TCP/IP 网络模块，主要是向管理服务器上传数据和报表。将数据正确发送到以太网、将以太网上的数据正确接收到是本网络模块的关键。要在以太网上正确传输数据，使用网络协议是必不可少的，而 TCP/IP 协议是首选。使用完整的 TCP/IP 协议当然能够实现上述要求，但由于本系统使用了
4、嵌入式硬件和软件系统，其资源有限，因此必须对协议进行精简。所以，本系统要针对 STM32 嵌入式硬件进行 TCP/IP 协议的嵌入以及设计应用层的协议。目前基于 STM32 嵌入式控制器的以太网设计都是嵌入是 UIP协议。UIP 是一个可实现的 TCP/IP 协议组件的一个非常重要的部分，UIP 的实现目标是保持代码大小和存储器的使用量最小。UIP 代码的大小和 RAM 的需求比其他一般的TCP/IP 栈要小很多。所以本系统中使用 UIP 协议栈。模块本系统中钥匙柜终端的操作界面都是基于触摸屏来实现的，包括状态的显示，信息的输入，系统设置输入等都是通过触摸屏交互。钥匙柜端使用的触摸屏分辨是24
5、0*320，显示效果细腻、清晰。该 TFT 屏的控制是通过STM32 的 FSMC 接口，再配合嵌入式图形软件 uC/GUI，实现了简易明了的终端控制界面。电磁锁驱动模块本系统选用的电磁锁为瞬间通电，耗电省，结构简单，安装方便，使用成本低等优点。电磁锁工作参数是：工作电压 12V，允许电流 600mA，通电工作时间小于 1S，允许通电最大时间 10S，插销长度为 10mm。综合以上电磁锁工作条件，本系统中 STM32 的 GPIO 口输出电流有限，因此需要加一级电流增强，所以利用 GPIO 控制小功率晶体管来驱动电磁锁，实现电磁锁的开关。GPIO 通过限流电阻接到 NPN晶体管的基极，晶体管的
6、集电极接电磁锁，使用 12V 电源。当 GPIO 输出高电平时晶体管导通，电磁锁有电流流过，驱动插销工作，实现开关功能。摄像头模块本系统采用 OV7670 摄像头模块。OV7670 是 OV 公司生产的一颗 1/6 寸的 CMOSVGA 图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影像数据。该产品 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。该图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。数据报表实验室管理软件在每一个时间段内都必须生成相应的数据报表，以记录实验室使用的具体情况。数据报表保存在服务器的硬盘空间内，以便随时可以查看。2 结论本方案操作简单、使用方便，特别是将指纹验证与校园网老师考勤相结合，避免了每次实验需要实验室管理人员来开门的繁琐过程，也为老师专注学生实验、指导实验提供了方便，大大加强了实验教学效果。本文旨在介绍了一种高效实验室智能化管理方案，期望有更加合理、完善的方案讨论，努力推进高校实验室的智能化和开放化，加强实验室创新性研究。
