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(gè)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(chǔ)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(duì)以上問題進(jìn)行了研究。早期日本的學(xué)者設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)一款實(shí)驗(yàn)室智能電子元件收納與儲(chǔ)存裝置。首先，在Biot-Savart Law 的基礎(chǔ)上建立電磁傳動(dòng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)柜體的機(jī)械傳動(dòng)；基于智能語音交互建立了語音檢索系統(tǒng)，用于識(shí)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(duì)整機(jī)及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、傳輸與儲(chǔ)存。然后，對(duì)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)

如圖2 所示，本裝置的動(dòng)力系統(tǒng)主要由儲(chǔ)物抽屜、推拉式電磁鐵與固定件（L 形支架等）三個(gè)部分組成。儲(chǔ)物抽屜用于儲(chǔ)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(dòng)力系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

STC89C52 微控制器在接收外界信息后對(duì)繼電器發(fā)射電頻信號(hào)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)。因此，當(dāng)螺線圈中有電流通過時(shí)，推拉式電磁鐵發(fā)生作用，形成推的動(dòng)作，此時(shí)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(shí)別模塊與語音反饋模塊組成，如圖4、圖5 所示。語音識(shí)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(hào)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(shí)別原理圖

圖5 語音反饋原理圖

如圖4 所示，在語音識(shí)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(shí)別語音信息，并將識(shí)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(jì)算，輸出字符串，識(shí)別詞匯列表后將關(guān)鍵詞語列表傳輸回語音識(shí)別模塊；最后，控制器通過射頻識(shí)別技術(shù)開始檢索相應(yīng)電頻信號(hào)所對(duì)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(shí)別模塊的識(shí)別結(jié)果后，發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)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(shí)Z3735F 控制器發(fā)送電頻信號(hào)至繼電器，動(dòng)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(gè)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(shí)采集電子元件各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，利用RFID 標(biāo)簽儲(chǔ)物抽屜、RFID讀寫器以及計(jì)算器控制終端對(duì)電子元件進(jìn)行射頻識(shí)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(chǔ)存環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋、終端實(shí)時(shí)控制、安全實(shí)時(shí)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(shí)，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(jí)。

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(dòng)系統(tǒng)核。三核均采用STC89C52 芯片，其采集或接收的電平信號(hào)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(jì)，減輕了低級(jí)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(shí)反饋、終端實(shí)時(shí)控制和安全實(shí)時(shí)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(dòng)溫控面板。其中，端口開關(guān)面板用于打開連接各個(gè)二級(jí)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(dòng)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(shí)問題的檢測與故障的修復(fù)；手動(dòng)溫控面板用于特殊情況下手動(dòng)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(shí)，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(dòng)端口”面板中，選擇二者對(duì)應(yīng)芯片所連接的串口號(hào)，并點(diǎn)擊“打開”，此時(shí)若輔助調(diào)試面板上出現(xiàn)“語音端口/傳動(dòng)端口已打開！”字樣，則已成功打開兩個(gè)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(jí)應(yīng)答后可發(fā)出命令詞條；儲(chǔ)物抽屜經(jīng)電磁傳動(dòng)系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，語音檢索系統(tǒng)發(fā)出二級(jí)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(chǔ)物抽屜歸位。

圖8 智能語音詞條表

（2）手動(dòng)檢索法

打開“傳動(dòng)端口”對(duì)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(dòng)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(shí)：

①需要獲取實(shí)時(shí)溫度、濕度與設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，可打開軟件后臺(tái)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)端口”所對(duì)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(chǔ)存溫度為0 ～26 ℃，適宜儲(chǔ)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫濕度變化、柜體中零件存放時(shí)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(jì)算機(jī)磁盤即可完成查閱。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：

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

（2）結(jié)構(gòu)簡單，電路設(shè)計(jì)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(chǔ)存，避免造成損失。