CN201397469Y - 无人自主实验室的网络控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是无人自主实验室的网络控制系统，属于人工智能管理系统领域。该系统采用客户端/服务器体系结构，整个系统包括LCD模块、MCU、串口转网口模块、RFID读卡器、电控锁、控制实验台电源继电器、控制实验室照明电继电器和服务器。利用RFID读卡器读取带有学生学号信息的射频卡，通过RS232接口传给MCU，MCU经过串口转网口模块后通过局域网把信息发送给服务器，服务器对所接收到信息进行分析处理，并给对应的客户端发送相应的命令对实验室的门、灯以及实验台的电源进行控制，同时LCD上显示出相应的信息。本实用新型中一个服务器可以连接多个客户端，并且可以同时控制管理多个实验室，即整个系统设备成本低。

Description

无人自主实验室的网络控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能化实验室系统，具体是一种基于射频识别技术、微控制器、数据库以及网络技术来实现对实验室的智能化控制。

背景技术

实验是教学过程中不可缺少的一环，对学生的观察和实践动手能力，实事求是的严谨的科学态度，激发学生的学习兴趣都有着举足轻重的作用。要使实验室资源得以充分利用，提高学生的综合素质和开发创新能力，必须对实验室进行开放。目前好多高校的实验室还是处在人工管理阶段，好一点高校的实验室采用了智能考勤系统，但是还没有做到完全智能化。这种完全人工或者半智能化的实验室管理模式不仅浪费人力资源(因为要求有老师在实验室)，而且不能够彻底做到让实验室在节假日都全天开放。

发明内容

本实用新型提供了一种基于射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)与MCU(微控制器，Micro Controller Unit)、数据库以及网络技术实现实验室完全无人智能化管理系统。在课余、节假日时间，学生可以利用该系统自主地进入开放创新实验室做实验；另外该系统可以根据具体实验室实时的情况，智能的控制实验室的门和灯的开与关。该系统彻底实现开放创新实验室无人值守，同时还能实现节约用电和环保。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本系统本实用新型无人自主实验室的网络控制系统，其体系结构是基于C/S(Client/Server，客户端/服务器)模式，主要包括服务器和与服务器相连的若干个客户端。客户端与服务器采用的是TCP/IP协议。所述的客户端包括MCU、与MCU相连的LCD(液晶显示器)模块、RFID读卡器、电控锁、控制实验台电源继电器和控制实验室照明电继电器、以及连接在服务器和MCU之间的串口转网口模块。电控锁安装在实验室的门上。RFID(射频识别)读卡器读取带有学生学号信息的射频卡，并将读取的信息传给MCU，MCU依次经过串口转网口模块、局域网把信息发送给服务器，服务器对所接受到的信息进行分析处理，并给对应的客户端发送相应的命令对电控锁、控制实验台电源继电器和控制实验室照明电继电器进行控制，同时LCD上显示出该实验室是否满员，学生是离开还是进入该实验室，以及服务器分配的实验台编号等信息。

所述的MCU选用的是STM32F103。STM32F103同时控制LCD模块、电控锁、控制实验台电源继电器以及实验室的灯的开关继电器。

所述的LCD采用的是普通的点阵LCD，其与MCU是通过SPI接口相连接的，LCD模块1包含一个指示灯a，表示MCU读取接收到射频卡信息是否成功，指示灯a与STM32f103的普通I/O管脚相连。MCU采用的是STM32f103。串口转网口模块采用的是W5100。W5100采用SPI总线接口和MCU相连接，该接口模式只需4个引脚进行数据通信，这4个引脚的定义分别为：SCLK、/SS、MOSI、MISO，W5100的SPI_EN引脚选择SPI操作。

无人自主实验室的网络控制系统的具体实现步骤如下：

1)RFID读卡器读取射频卡所带学生学号信息；

2)MCU通过串口读取RFID读卡器所获得的信息；

3)MCU把所获得的信息按照制定的协议格式，经过W5100模块转换后通过局域网传递给服务器；

4)服务器解析所接收到的数据，并与数据库中的信息进行匹配分析，更新数据库中的相关信息后，给MCU发送相应的命令；

5)MCU接收到服务器的命令后，对其对应实验室门、服务器分配的实验台、实验室的灯以及LCD做出相应的控制与显示。

本实用新型具有以下优点：

1)一个服务器可以连接多个客户端，并且可以同时控制管理多个实验室，即整个系统设备成本低；

2)一个终端的MCU可以同时控制实验室门、实验台的电源开关以及实验室灯的电源开关；同时该系统能通过数据库对学生做实验的时间；

3)本系统可以通过数据库实时记录学生进入实验室、离开实验室的时间，实验室房间号以及实验台号进行记录保存；

4)服务器与客户端采用的TCP/IP协议传输数据，可以保证服务器和客户端接收到数据准确性，同时采用网络传输可以提高数据传输速率。

附图说明

图1系统拓扑结构图；

图2客户端结构示意图；

图3STM32f103电路原理图；

图4STM32f103基本外围电路原理图；

图5W5100模块电路原理图(与STM32f103的连接已用网络标识符表明)；

图6RFID读卡器和电控锁的电路连接原理图(与STM32f103的连接已用网络标识符表明)；

图7控制实验台、灯电源的继电器电路连接原理图(与STM32f103的连接已用网络标识符表明)；

图8系统程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步地阐述：

本实用新型的系统拓扑结构如图1所示，整个系统是基于C/S架构设计的，在本实例中，一个服务器(PC机)和4个客户端(即是4个实验室)通过局域网相连接，通信采用的是TCP/IP协议，其中每个客户端都有其在该局域网中独一无二的IP地址。服务器与客户端的通信是基于TCP/IP协议通信的。每个客户端的结构参照图2，包括MCU、与MCU相连的LCD模块、RFID读卡器、电控锁、控制实验台电源继电器和控制实验室照明电继电器、以及连接在服务器和MCU之间的串口(RS232)转网口模块。电控锁安装在实验室的门上，控制门的开关。每个客户端(即每个实验室)是通过一个MCU控制实验室的门、灯开关、LCD模块以及实验台电源开关。

本实施例中，MCU采用的STM32f103，其电路原理图及其基本外围电路原理图如图3、图4所示。LCD模块采用的是北京青云公司的通用型带汉字字库图形点阵式液晶显示模块LCM12864ZK，LCD模块是通过SPI与MCU相连接的。串口转网口模块采用是W5100，W5100提供了3种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。参照图5，在本实用新型中W5100采用的SPI总线接口和MCU相连接；该接口模式只需4个引脚进行数据通信，这4个引脚的定义分别为：SCLK、/SS、MOSI、MISO，W5100的SPI_EN引脚选择SPI操作。

本实施例考虑到射频卡和RFID读卡器的距离比较近以及整个系统的成本问题，在射频识别部分采用的低频，其工作频率为100KHZ-500KHZ。即在本实施例中选用的是厦门市智多星电子技术有限公司的RS232接口的RFID读卡模块，该模块是单直流电源+5V供电，工作频率是125KHZ，读卡的最大距离为15cm。参照图6，RFID读卡器和电控锁是通过RS232与MCU相连接的。

本实例中，门禁部分采用的双向控制，进入实验室采用的RFID技术打开实验室的门；若离开实验室采用开关，学生在实验室里面只要按一下开关就可以使实验室门打开；学生离开实验室时，要再刷一次RFID，使其实验台的电源开关关闭，同时更新数据库中的相关信息。

参照图7，STM32F130是通过3个3-8译码器控制20个继电器(在本实例中，每个实验室有20个实验台)，即控制20实验台的电源开关。这里继电器相当于一个单刀双掷开关的功能，通过MCU的TTL电平信号来选择相应的译码器输出管脚驱动继电器，从而使继电器连接220V市电或者地线，达到控制实验台通断电的目的，同时还有一个指示灯表明是否接通220V市电。

参照图8，在本实例中，无人自主实验室的网络控制系统的具体步骤如下：

1)启动服务器的程序，设置好服务器的IP地址和端口号，并进行监听；

2)客户端与服务器建立网络通信连接；

3)RFID读卡模块读取RFID的信息；

4)MCU通过串口读取RFID读卡器读取到的信息，若MCU读取成功，点亮指示灯；

5)经过W5100转换，把读取到的信息按照制定好的协议格式通过局域网发送给服务器；

6)服务器读取、分析客户端发送过来的数据，并与数据库中的信息进行匹配；

7)若数据库中没有该信息，则发送相应的命令后执行步骤12)；若数据库中有该学生的信息，则执行步骤8)；

8)查询该学生的相关信息状态，若该学生已经是进入实验室的状态，执行步骤11)；否则该学生就是准备进入实验室，则执行步骤9)；

9)查询该实验室是否已经满员，若满员，给客户端发送相应的命令并执行步骤12)；若没有满员，则执行步骤10)；

10)查询该实验室是否有人，若没有，则给客户端发送打开实验室门、灯以及给该学生分配一个实验台并更新数据库中的相关信息；若有人已经在，则不用给客户端发送打开灯的命令；并执行步骤12)；

11)查询该学生此次刷卡和上次刷卡是否在同一个实验室，若在同一个实验室，发送关闭其对应的实验台的电源的命令并更新数据库中的信息，同时还要查询该学生是否是最后一个离开该实验室的，并在发送命令中加有是否要关闭灯的命令；若该学生不在同一个实验室，发送含有其已经登陆实验室号的命令；最后执行步骤12)；

12)客户端接收到服务器的命令后，通过MCU对实验室门、实验台、实验室的灯以及LCD做出相应的控制；

13)结束本次通信。

在本实施例中的服务器部分，提供了管理员身份认证机制；还提供了可观性非常好的实时查询每个实验室的各个实验台的工作情况。另外，该系统还能查询、统计分析学生使用各个实验室的具体情况。

服务器与客户端通信的格式如下：

说明：协议中所提及的客户端指MCU，服务器是指PC机。从服务器到客户端的通信为下行，从客户端到服务器的通信为上行。

一、协议基本格式：

通信协议说明

字节顺序	说明	代码
			0	帧起始符1	aaH
1	帧起始符2	55H
			2	终端地址	Addr
3	协议类型	T
			4	命令格式	C
5	数据域长度	L
			6	数据域	DATA

(1)帧起始符aaH和68H：标识一帧信息的开始。

(2)协议类型T：0X00为下行数据，0X01为上行数据，其它数据为错误状态。

(3)命令格式C：用于表征本包数据的功能。

(4)数据域长度L：L为数据域的字节数。L＝0表示无数据域。

(5)数据域DATA：数据域包括下行协议的数据等。

二、协议具体内容

2.1客户端发送验证信息的命令

命令字：0x11

上行：AAH 55H XXH 01H 11H^**H DATA

注：XXH表示客户端号，数据长度为^**H，DATA中是客户端读取到的学号信息。

2.2服务器返回验证失败的命令

命令字：0x12

下行：AAH 55H XXH 00H 12H 00H

注：XXH表示客户端号，数据长度为0，表示验证失败。

2.3服务器返回验证进入实验室成功的命令

命令字：0x13

下行：AAH 55H XXH 00H 13H^**H$$H％％H DATA

注：XXH表示客户端号，$$H为分配实验台号，数据长度为^**H，DATA中是服务器数据库中学号对应的信息。其中若当前这位同学是第一个来到该实验室，％％H为1，则通知MCU通过相关的继电器打开该实验的灯；若此实验室已经有人在做实验，％％H为0，说明等已经打开了。

2.4服务器返回验证离开实验室成功的命令

命令字：0x14

下行：AAH 55H XXH 00H 14H^**H$$H％％H DATA

注：XXH表示客户端号，$$H为退出实验台号，％％H为该实验室此时是否还有实验台在工作，数据长度为^**H，DATA中是服务器数据库中学号对应的信息。其中若％％H为0时，说明此时该实验室有人在做实验，反之，％％H为1，说明该学生是最后一个离开该实验室的，并通知MCU通过对应的继电器把实验室的等关掉。

2.5服务器返回该实验室满员的命令

命令字：0x15

下行：AAH 55H XXH 00H 15H 00H

注：XXH表示客户端号，数据长度为0，表示该实验室已经满员

2.6服务器返回该同学已在别的实验室的命令

命令字：0x16

下行：AAH 55H XXH 00H 16H^**H$$h

注：XXH表示客户端号，数据长度为1，$$H表示已经别的实验室登陆的实验室编号。

Claims (3)

1、无人自主实验室的网络控制系统，其特征在于：包括服务器和通过局域网与服务器相连的若干个客户端，所述的客户端包括MCU、与MCU相连的LCD模块、RFID读卡器、电控锁、控制实验台电源继电器和控制实验室照明电继电器、以及连接在服务器和MCU之间的串口转网口模块；电控锁安装在实验室的门上；RFID读卡器读取带有学生学号信息的射频卡，并将读取的信息传给MCU，MCU依次经过串口转网口模块、局域网把信息发送给服务器，服务器对所接受到的信息进行分析处理，并给对应的客户端发送相应的命令对电控锁、控制实验台电源继电器和控制实验室照明电继电器进行控制。

2、根据权利要求1所述的无人自主实验室的网络控制系统，其特征在于：客户端与服务器采用的是TCP/IP协议。

3、根据权利要求1所述的无人自主实验室的网络控制系统，其特征在于：所述的MCU选用的是STM32F103。

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