基于嵌入式智能电子实验室控制系统的设计

潘心斌

摘 要：随着高校实验室的管理越来越繁重，人工监管的消耗日益增多，为减少人力和时间的消耗，提高实验室管理效率，设计了基于嵌入式智能电子实验室控制系统。

关键词：嵌入式;实验室;控制系统

0引言

随着高校实验室教学改革的深入发展，各个实验室的管理工作变得越加繁重，管理人员的数量偏少，工作量多，是当前高校普遍现象之一，这种传统的管理方法，已经无法适应发展趋势。

嵌入式技术作为当今主流技术之一，在各个领域中应用广泛，具有智能、便捷等特点。本文基于嵌入式技术和zigbee技术，设计了智能电子实验室控制系统，该系统可以解决当前管理人员实验室管理工作繁重，同时采用zigbee技术，实现从有线到无线的过程。

1系统总体设计

本控制系统设计如图1所示，由上位机、无线门禁系统和智能插座系统三部分组成。其中上位机包括主机、协调器节点以及相应软件组成。上位机通过协调器与无线门禁系统和智能插座系统进行通信，负责数据的上传和下发，实现对子系统的控制。无线门禁系统采用RFID读卡器、终端节点和电磁锁组成。终端节点接收RFID读卡器的信号，控制电磁锁进行延时开门或关门操作。智能电源插座系统设有终端节点，在接收上位机发出的信号后，进行自动启停，同时设有过流保护电路，防止意外事故出现，影响使用人员和设备的安全。

2系统硬件设计

2.1协调器和终端节点硬件设计

本设计使用终端节点均使用以CC2530模块为核心的器件。它结合了高性能的2.4GHz DSSS射频发射器，具有极高的灵敏度和抗干扰能力，具有21路通用I/O口，12位分辨率的ADC，有2个支持多种串行通信协议的强大USART。

2.2 門禁系统终端节点设计

门禁系统终端节点由RFID模块和CC2530模块 组成，其中RFID模块主要是采用MFRC522芯片，是一种非接触式读写卡芯片，支持各种不同主机接口的功能，包括SPI接口、I2C接口和串行USART等。其中对于串行USART接口，传输速率可达1228.8kbits/s，同时具备低功耗的硬件复位功能。门禁系统终端节点与CC2530模块连接，当门禁系统接收到开锁指令后，输出高电平，控制固态继电器常开触点闭合，接通电磁锁进行电源开锁。

2.3电源插座终端节点设计

电源插座终端节点由CC2530模块、过电流保护模块和固态继电器组成，过电流保护模块的继电器常闭触点与固态继电器常开触点接在电源插座的回路中，其中CC2530模块给固态继电器输出高电平后，由固态继电器的辅助触点得电接通电路。当电路中电流大于设定值时，过电流保护模块的继电器常闭触点将自动断开，实现过流保护。当电流恢复到设定值以下时，常闭触点闭合，电路正常运行。

3系统软件设计

3.1协调器和终端节点软件设计

协调器和终端节点软件流程如图2所示。首先，协调器和终端节点进行初始化，主要是对网络参数进行复位;其次，检测是否接收到上位机或者其他终端节点的数据;最后，将从终端接收的数据上传至上位机，或者将上位机发出的数据下发至其他终端节点。

3.2门禁系统终端节点软件设计

协调器和终端节点软件流程如图3所示。首先，门禁系统终端节点进行网络参数初始化;其次，根据RFID读卡器的数据状态进行反馈，如果RFID读卡器接收到数据，将数据通过协调器上传至上位机。如果是上位机发出指令，则会判断是开锁或关锁指令。

3.3电源插座终端节点软件设计

电源插座终端节点软件流程如图4所示。首先，将网络参数进行初始化，插座处于断电状态;其次，在接收到上位机的指令后，控制插座接通电源。当出现电流过大时，插座终端自动关闭该电源，同时向上位机发出过流信号，上位机将对插座终端节点发出断电指令。

4系统调试

在所有程序编写或编译无误后，下载至协调器和各个终端节点中，进行调试：

RFID读卡器可以正确读卡，且可以将数据传递给各个节点，再上传至上位机，同时也可以接受上位机的控制指令，再发送至各个节点;门禁系统节点可以接收上位机的控制指令，完成开锁和关锁信号，可以检测到门打开的时间，当超过预定时间后发出警报，将信号上传至上位机;电源插座终端节点可以接收上位机的开通或关闭指令，完成相应操作和数据回传。

5结语

本文主要介绍了基于嵌入式智能电子实验室控制系统的硬、软件设计，通过RFID和Zigbee技术，可以满足开放实验室管理的基本要求。关于本文的不足之处，还可以增加其他节点，包括温湿度、烟雾等感知节点，提升实验室管理的效率。

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