楊 飛， 姜 鈞， 魏 英， 高晶敏， 易軍凱

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100192）

0 引 言

現(xiàn)代教育理論中最重要的一個方面就是最大限度地開發(fā)各個教育階段的學(xué)生符合其本身特性的創(chuàng)造性思維方式，營造一種寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，確保學(xué)生在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)本領(lǐng)，吸取知識，并以最大限度增加動手和實踐的機會，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)自己的創(chuàng)意。在理工類大學(xué)教學(xué)科目中顯得特別重要。高校作為培養(yǎng)人才的沃土，在素質(zhì)教育全面實施的過程中，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)具有十分重要的地位［1-4］。開放性實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實踐與理論相結(jié)合能力以及創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。特別是高校實驗室的管理與建設(shè)水平對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量影響非常大，對科學(xué)研究工作也起著關(guān)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(tài)，隨著高校招生規(guī)模的擴大，在校學(xué)生人數(shù)的快速增長，工程實驗室面向不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生，需要承擔(dān)龐大的實驗任務(wù)。因此，實驗室的日常管理日趨繁重、復(fù)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(yǎng)模式改革創(chuàng)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(fā)了一套基于B／S架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)實驗室管理平臺；文獻［6］中研究設(shè)計了基于ZigBee的實驗室智能管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多棟實驗樓實驗室環(huán)境的智能監(jiān)測和電氣設(shè)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(tǒng)；文獻［8］中利用輔助的軟硬件系統(tǒng)構(gòu)建信息化、智能化的實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)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(guān)注，但是這些文獻中要么設(shè)計的系統(tǒng)過于復(fù)雜，不利于實際應(yīng)用，要么沒有給出具體的設(shè)計過程。

本文設(shè)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(tǒng)，具有設(shè)計結(jié)構(gòu)清晰，應(yīng)用方便等特點，同時給出了具體的設(shè)計過程，各個實驗室可以根據(jù)該套系統(tǒng)的設(shè)計理念自行設(shè)計滿足自身需求的智能管理系統(tǒng)。該套系統(tǒng)用來協(xié)助高校實驗室管理人員對學(xué)生和實驗設(shè)備進行快速方便管理，從根本上改變傳統(tǒng)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(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，為實驗室的科學(xué)、規(guī)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(shè)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(yōu)點。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)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(shè)備；又可以開發(fā)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(fā)板、結(jié)構(gòu)精簡的Arduino Mini開發(fā)板等，可以滿足不同應(yīng)用類型用戶的需求［9-16］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實驗室智能管理系統(tǒng)主要功能是應(yīng)用RFID技術(shù)，通過IC卡感應(yīng)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(quán)限，然后，根據(jù)不同的權(quán)限執(zhí)行不同的操作。通過實驗室智能管理系統(tǒng)、參加實驗的學(xué)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(nèi)的教學(xué)資源得到最大限度的利用。該系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成：實驗臺端子系統(tǒng)和管理員端子系統(tǒng)。其中，實驗臺端子系統(tǒng)是系統(tǒng)的主要部分，負責(zé)實驗臺環(huán)境的監(jiān)測和學(xué)生實驗情況的管理；管理員端子系統(tǒng)是系統(tǒng)的輔助部分，主要用來收集從實驗臺端發(fā)送來的信息，并進行相應(yīng)的處理。

實驗臺端子系統(tǒng)如圖1所示。該子系統(tǒng)主要完成非接觸式IC卡的讀寫，測量記錄數(shù)據(jù)的顯示，電源的控制和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙ぷ?。由于該子系統(tǒng)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(tǒng)主要由Arduino Mega 2560、IC卡感應(yīng)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(gòu)成。

圖1 實驗臺端子系統(tǒng)構(gòu)成

管理員端子系統(tǒng)如圖2所示，該子系統(tǒng)主要完成對實驗臺端子系統(tǒng)發(fā)來的消息的處理工作。該子系統(tǒng)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(xiàn)相應(yīng)的功能。該子系統(tǒng)由Arduino UNO、無線數(shù)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(gòu)成。

圖2 管理員端子系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 實驗臺端子系統(tǒng)硬件設(shè)計

實驗臺子系統(tǒng)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(shù)據(jù)線相連，如圖3所示，只有其中的28根數(shù)據(jù)線用來傳輸數(shù)據(jù)，其余4根為懸空線（NC）。

主控制器通過無線數(shù)傳模塊和管理員端子系統(tǒng)進行信息交換，無線數(shù)傳模塊與主控制器之間只需要通過兩根數(shù)據(jù)線連接，其中一根用作發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根用作接收數(shù)據(jù)。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(yīng)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(shù)據(jù)端，然后將數(shù)據(jù)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(tǒng)硬件設(shè)計

實驗室智能管理系統(tǒng)的管理員端子系統(tǒng)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(shù)據(jù)線相連，如圖7所示。其中，有4根線接液晶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)選擇端RS，由于該系統(tǒng)中只需要對液晶進行寫數(shù)據(jù)，因此，R／W直接接地，工作于寫模式。主控制器通過無線數(shù)傳模塊和實驗臺端子系統(tǒng)進行信息交換，無線數(shù)傳模塊與主控制器之間只需要通過兩根數(shù)據(jù)線連接，如圖8所示。其中一根用作發(fā)送數(shù)據(jù)，另一根用作接收數(shù)據(jù)。另外，需要外接兩個LED作為接收到信息類型的指示信號，當(dāng)紅色LED亮起時說明收到了“Help”信息，當(dāng)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(shù)傳收發(fā)模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖9所示。在系統(tǒng)的電源開啟后顯示系統(tǒng)的初始畫面，初始畫面的內(nèi)容為當(dāng)前的時間、當(dāng)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(dāng)有老師或?qū)W生刷卡時，液晶顯示持卡人的信息。由于老師和學(xué)生的權(quán)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(xué)生刷卡后進入實驗計時畫面，系統(tǒng)處于實時監(jiān)測實驗臺安全的狀態(tài)；當(dāng)實驗臺出現(xiàn)危險或是學(xué)生未在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，將會發(fā)出警告，并在一定的時間內(nèi)關(guān)閉實驗臺的電源；在安全且未超時的情況下，學(xué)生可以通過實驗臺上的按鍵向?qū)嶒炇夜芾韱T發(fā)出求助信號或在實驗完成后發(fā)出實驗結(jié)束信號；管理員會根據(jù)學(xué)生實驗用時和實驗的結(jié)果給予分數(shù)，打分之前，管理員首先在實驗臺刷卡獲得相應(yīng)的權(quán)限后進行，打分后按確定鍵完成打分，將分數(shù)存儲后，一段時間后關(guān)閉實驗臺電源，也可選擇手動關(guān)閉電源。

圖9 系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程

4 系統(tǒng)測試

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

成績記錄結(jié)果如圖11所示。其中62為學(xué)生的卡號，111為管理員的卡號，卡號為62的學(xué)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(shù)信息

5 結(jié) 語

開放實驗室智能管理系統(tǒng)充分利用了先進的微處理器技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過對于實驗室內(nèi)的教學(xué)資源和儀器設(shè)備進行監(jiān)測控制、統(tǒng)籌管理，讓實驗室的使用更加安全、有效。本文開發(fā)的基于Arduino微控制器的智能實驗室管理系統(tǒng)初步實現(xiàn)了實驗室的智能化管理。今后可以將該系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，通過internet實現(xiàn)遠程開放實驗室智能化管理。