宗文錦， 朱啟兵， 李明澤， 連 悅

(1.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著科研水平的不斷提升，實(shí)驗(yàn)室使用的化學(xué)試劑呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化和多變性的特點(diǎn)。危險(xiǎn)化學(xué)品(腐蝕、易燃、易爆、毒害等)的管理給管理人員帶來(lái)了極大的困擾。實(shí)驗(yàn)人員對(duì)化學(xué)試劑的取用和歸還仍然存在著多取、少還、錯(cuò)放等問(wèn)題，化學(xué)試劑的管理模式尚不健全[1]。在高校和科研機(jī)構(gòu)中，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多、分布廣，實(shí)驗(yàn)室人員集中、流動(dòng)性大，化學(xué)品的購(gòu)買、使用、儲(chǔ)存和廢棄處置等環(huán)節(jié)均存在安全隱患，傳統(tǒng)的人工盤查方式已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)階段的實(shí)際情況?？梢?，建立科學(xué)的信息化管理平臺(tái)，規(guī)范人員的試劑領(lǐng)用流程，實(shí)施有效的實(shí)驗(yàn)室?guī)旆抗芾硎侄纬蔀樵擃I(lǐng)域十分重要且不可避免的研究課題。射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)作為一項(xiàng)非接觸自動(dòng)識(shí)別的新興技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)式管理[2，3]和醫(yī)藥行業(yè)[4，5]。

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用于試劑管理，結(jié)合管理平臺(tái)和硬件控制，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種多功能試劑暫存庫(kù)房管控系統(tǒng)，相關(guān)單位的應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

1 需求分析

1.1 功能要求

目前實(shí)驗(yàn)室暫存庫(kù)房需要解決的主要問(wèn)題是危險(xiǎn)化學(xué)

品存放安全問(wèn)題和試劑分類不明確的問(wèn)題。結(jié)合以上問(wèn)題和相關(guān)要求，系統(tǒng)功能主要包括：1)化學(xué)試劑的存儲(chǔ)管理；2)相忌試劑混存的預(yù)警；3)實(shí)驗(yàn)人員身份驗(yàn)證及操作記錄；4)有毒試劑重量記錄；5)試劑柜內(nèi)環(huán)境檢測(cè)與可視化；6)電源供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.2 整體方案

基于RFID技術(shù)的多功能試劑管理系統(tǒng)主要由綜合管理平臺(tái)、Android工控App和STM32嵌入式硬件控制部分構(gòu)成，如圖1所示。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括主控制柜和試劑存儲(chǔ)柜(普通、抗腐蝕、阻燃、防爆、有毒)。工控機(jī)安裝于主控制柜(主站)，硬件控制模塊分布到各試劑柜(從站)，兩者采用RS—485接口實(shí)現(xiàn)通信。由于RS—485總線信號(hào)傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域是一種常用的總線形式。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

柜內(nèi)環(huán)境信息、試劑庫(kù)管狀態(tài)、試劑出入庫(kù)記錄、系統(tǒng)預(yù)警信息、人員管理信息和人員誤操作記錄等數(shù)據(jù)都將暫存于工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)并通過(guò)TCP/IP定時(shí)上傳至管理平臺(tái)。考慮到數(shù)據(jù)量較小并且工控機(jī)只保存最近一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)主要采用體積較小、功能完備且源碼開放的MySQL[6]。基于上述交互信息建立各類數(shù)據(jù)表，主要包括人員信息管理表、試劑信息管理表、操作記錄表、環(huán)境信息表、預(yù)警情況表、權(quán)限管理表、試劑柜信息管理表等。

2 硬件選型

2.1 總體框架

系統(tǒng)工控機(jī)選用以Linux為內(nèi)核的電容觸摸屏一體機(jī)開發(fā)Android[7]工控APP。選用RS—485接口的刷卡器實(shí)現(xiàn)人員身份驗(yàn)證，配以RS—232接口的電子秤完成有毒試劑稱重。STM32控制模塊的整體框架如圖2所示。

圖2 STM32控制模塊

2.2 主控制芯片

以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6芯片作為控制核心,時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，可保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，主控電路包含復(fù)位和晶振電路。應(yīng)用TTL轉(zhuǎn)RS—485電路輸出兩路差分信號(hào)，其中一路連接于主從通信的RS—485總線上，另外一路負(fù)責(zé)與溫濕度、濃度檢測(cè)模塊的通信。

2.3 電源電路

系統(tǒng)下位機(jī)主要用到12，5,3.3 V直流電源，12 V電壓為電磁鎖等硬件外設(shè)供電，5 V電壓由基于LM2576—5.0芯片的開關(guān)穩(wěn)壓電路得到，STM32的供電電壓采用常規(guī)的AMS1117—3.3芯片構(gòu)成5～3.3 V的穩(wěn)壓電路。

2.4 檢測(cè)模塊

分別采用SHT20溫濕度檢測(cè)模塊和TGS2602濃度檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。SHT20模塊集成了傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路于一個(gè)CMOSens?芯片上，大大降低了功耗，可對(duì)溫度值介于-40～125 ℃，濕度值介于0 %～100 %的環(huán)境變化做出有效反應(yīng)。模塊的返回?cái)?shù)據(jù)以表1為例，溫度和濕度分別為30.5 ℃和54.6 %。

表1 溫濕度模塊返回?cái)?shù)據(jù)

TGS2602濃度傳感器對(duì)可揮發(fā)性化學(xué)有機(jī)物(volatile chemical organics,VOC)具有高靈敏度[8]，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柜內(nèi)氣體濃度。傳感器電阻的電導(dǎo)率隨氣體濃度升高而升高，在采樣點(diǎn)得到的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換可得到濃度值。由于試劑柜內(nèi)氣體成分復(fù)雜，為了使數(shù)據(jù)更加可靠，實(shí)驗(yàn)擬合出適用于該場(chǎng)合的濃度C與采樣點(diǎn)電壓V關(guān)系：C=0.4V2。

2.5 超高頻RFID讀寫模塊

試劑柜內(nèi)采用4層結(jié)構(gòu)，每層可放置20瓶化學(xué)試劑，為了保證標(biāo)簽掃描的可靠性，在試劑柜的每一層放置一個(gè)4 dBi的超高頻天線，所有天線連接到RFID讀寫模塊，模塊與主控電路板通過(guò)UART串口連接實(shí)現(xiàn)信息交互。RFID標(biāo)簽賦予了每瓶試劑唯一的ID。通過(guò)RFID天線發(fā)射射頻信號(hào)，當(dāng)試劑瓶上的標(biāo)簽進(jìn)入射頻信號(hào)掃描范圍，利用標(biāo)簽內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流獲得的能量返回存儲(chǔ)于標(biāo)簽的試劑編碼，通過(guò)查數(shù)據(jù)表可以確定試劑信息[9]，包括試劑名稱、試劑屬性、試劑物理狀態(tài)等。

2.6 GPIO驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)配備的其他硬件包括柜門電磁鎖、柜門狀態(tài)指示燈、通信狀態(tài)指示燈、蜂鳴報(bào)警器、防爆風(fēng)機(jī)和交流電壓檢測(cè)模塊，除了交流電壓檢測(cè)模塊，其他外接硬件均采用GPIO驅(qū)動(dòng)繼電器控制。

2.7 交流電壓檢測(cè)模塊

220 V交流電壓檢測(cè)模塊用以實(shí)現(xiàn)供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)高壓端電壓發(fā)生突變時(shí)，MCU通過(guò)AD采樣得到在模塊低壓端的電平變化，產(chǎn)生相應(yīng)的消息指令通過(guò)RS—485總線發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)記錄“事件類型”(掉電/上電)和觸發(fā)時(shí)間并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。電網(wǎng)電壓斷開時(shí)，不間斷電源(UPS)為系統(tǒng)供電，可保證系統(tǒng)正常工作2 h。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)基本工作流程

系統(tǒng)的核心功能包括試劑柜內(nèi)環(huán)境信息的固定輪詢、柜門門鎖控制和柜內(nèi)試劑管控三個(gè)部分，基本工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

為避免出現(xiàn)由于人員疏忽造成忘關(guān)試劑柜門的情況，柜門打開后，STM32啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)60 s，未收到關(guān)門信號(hào)即啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警提示關(guān)門。主控系統(tǒng)得到柜門關(guān)閉的消息后，通過(guò)RS—485總線返回讀取試劑標(biāo)簽的指令，STM32打開UART串口，發(fā)送內(nèi)部指令碼使超高頻RFID模塊工作。由于環(huán)境信息輪詢和標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸共用一個(gè)RS—485接口，為了避免串口占用導(dǎo)致數(shù)據(jù)摻雜而影響正常通信。本系統(tǒng)定義了一個(gè)消息傳輸機(jī)制，通過(guò)增加如表2所示的三個(gè)標(biāo)志位。

表2 防沖突標(biāo)志位

通過(guò)判斷SendState和DataState是否同時(shí)為真，滿足則上傳RFID數(shù)據(jù)，否則等待條件滿足。事實(shí)表明，該方法優(yōu)化了串口通信的管理方法，解決了數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題。

3.2 RFID標(biāo)簽讀取

RFID模塊配置雙CPU，主CPU負(fù)責(zé)輪詢標(biāo)簽，副CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理。采用緩存模式讀取試劑標(biāo)簽，將讀到的標(biāo)簽信息放入緩存區(qū)，將重復(fù)標(biāo)簽過(guò)濾后統(tǒng)一上傳。工作的步驟可分解為三步：打開天線通道、盤存數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)上傳。如圖4所示。

圖4 RFID盤存流程

RFID模塊工作的指令碼如表3所示。其中，數(shù)據(jù)包頭均以0xA0開頭，地址均默認(rèn)為0x01。通過(guò)發(fā)送指令碼0x74打開天線通道，指令參數(shù)代表天線號(hào)(Antenna ID),這里設(shè)為0x00～0x03,分別對(duì)應(yīng)模塊的四個(gè)天線。依次打開天線，發(fā)送0x80開始盤存標(biāo)簽，指令參數(shù)定義為盤存過(guò)程重復(fù)的次數(shù)(Repeat)，由于柜內(nèi)標(biāo)簽數(shù)據(jù)量較大，所以本系統(tǒng)將其設(shè)置為0x01，可使單次盤存時(shí)間最大。以四個(gè)通道各盤存一次為一組循環(huán)讀取標(biāo)簽，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于N時(shí)，發(fā)送指令碼0x91上傳數(shù)據(jù)并清空模塊緩存數(shù)據(jù)以備下次讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。獲得標(biāo)簽數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)前后分別加上帶有地址的數(shù)據(jù)頭和固定的數(shù)據(jù)尾，以確保工控機(jī)獲得數(shù)據(jù)的完整性。

表3 RFID模塊工作指令碼

3.3 人機(jī)界面和握手協(xié)議

基于Android的工控機(jī)主界面[10]如圖5所示，該工控App采用Java語(yǔ)言開發(fā)，Linux的內(nèi)核使其運(yùn)行更加穩(wěn)定。

圖5 人機(jī)交互界面

表4給出了Android工控機(jī)和STM32嵌入式控制模塊的握手協(xié)議。其中，試劑稱重需要實(shí)驗(yàn)人員在工控App進(jìn)行界面操作實(shí)現(xiàn)。存放和取用有毒試劑時(shí)，將試劑瓶放入稱重區(qū)域，電子秤上傳重量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)員點(diǎn)擊界面“試劑稱重”按鍵以獲得稱重區(qū)域試劑標(biāo)簽信息，工控App內(nèi)部實(shí)現(xiàn)試劑信息與重量信息匹配完成稱重。

表4 Android與STM32握手協(xié)議

4 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)了一種基于RFID技術(shù)的化學(xué)試劑管控系統(tǒng)，系統(tǒng)各外圍模塊包括傳感器模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊和RFID模塊等硬件設(shè)備結(jié)合上位機(jī)搭建起可全溯源的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了集約化的管理目標(biāo)。RFID技術(shù)的應(yīng)用使得試劑分類更加明確，危險(xiǎn)品的去向可查，事故責(zé)任到人。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人員操作權(quán)限判定、環(huán)境信息檢測(cè)與可視化、交流供電監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)的啟停、試劑庫(kù)管狀態(tài)監(jiān)控與責(zé)任追溯、有毒試劑使用情況(重量)記錄等基本功能，并已在相關(guān)單位上線。