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基于嵌入式智能電子實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2020-05-26 09:09潘心斌
大眾科學(xué)·中旬 2020年3期
關(guān)鍵詞:嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室

潘心斌

摘 要:隨著高校實(shí)驗(yàn)室的管理越來越繁重,人工監(jiān)管的消耗日益增多,為減少人力和時(shí)間的消耗,提高實(shí)驗(yàn)室管理效率,設(shè)計(jì)了基于嵌入式智能電子實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:嵌入式;實(shí)驗(yàn)室;控制系統(tǒng)

0引言

隨著高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革的深入發(fā)展,各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的管理工作變得越加繁重,管理人員的數(shù)量偏少,工作量多,是當(dāng)前高校普遍現(xiàn)象之一,這種傳統(tǒng)的管理方法,已經(jīng)無法適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)。

嵌入式技術(shù)作為當(dāng)今主流技術(shù)之一,在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,具有智能、便捷等特點(diǎn)。本文基于嵌入式技術(shù)和zigbee技術(shù),設(shè)計(jì)了智能電子實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以解決當(dāng)前管理人員實(shí)驗(yàn)室管理工作繁重,同時(shí)采用zigbee技術(shù),實(shí)現(xiàn)從有線到無線的過程。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示,由上位機(jī)、無線門禁系統(tǒng)和智能插座系統(tǒng)三部分組成。其中上位機(jī)包括主機(jī)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)軟件組成。上位機(jī)通過協(xié)調(diào)器與無線門禁系統(tǒng)和智能插座系統(tǒng)進(jìn)行通信,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的控制。無線門禁系統(tǒng)采用RFID讀卡器、終端節(jié)點(diǎn)和電磁鎖組成。終端節(jié)點(diǎn)接收RFID讀卡器的信號(hào),控制電磁鎖進(jìn)行延時(shí)開門或關(guān)門操作。智能電源插座系統(tǒng)設(shè)有終端節(jié)點(diǎn),在接收上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)后,進(jìn)行自動(dòng)啟停,同時(shí)設(shè)有過流保護(hù)電路,防止意外事故出現(xiàn),影響使用人員和設(shè)備的安全。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用終端節(jié)點(diǎn)均使用以CC2530模塊為核心的器件。它結(jié)合了高性能的2.4GHz DSSS射頻發(fā)射器,具有極高的靈敏度和抗干擾能力,具有21路通用I/O口,12位分辨率的ADC,有2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART。

2.2 門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)由RFID模塊和CC2530模塊 組成,其中RFID模塊主要是采用MFRC522芯片,是一種非接觸式讀寫卡芯片,支持各種不同主機(jī)接口的功能,包括SPI接口、I2C接口和串行USART等。其中對(duì)于串行USART接口,傳輸速率可達(dá)1228.8kbits/s,同時(shí)具備低功耗的硬件復(fù)位功能。門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)與CC2530模塊連接,當(dāng)門禁系統(tǒng)接收到開鎖指令后,輸出高電平,控制固態(tài)繼電器常開觸點(diǎn)閉合,接通電磁鎖進(jìn)行電源開鎖。

2.3電源插座終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

電源插座終端節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、過電流保護(hù)模塊和固態(tài)繼電器組成,過電流保護(hù)模塊的繼電器常閉觸點(diǎn)與固態(tài)繼電器常開觸點(diǎn)接在電源插座的回路中,其中CC2530模塊給固態(tài)繼電器輸出高電平后,由固態(tài)繼電器的輔助觸點(diǎn)得電接通電路。當(dāng)電路中電流大于設(shè)定值時(shí),過電流保護(hù)模塊的繼電器常閉觸點(diǎn)將自動(dòng)斷開,實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。當(dāng)電流恢復(fù)到設(shè)定值以下時(shí),常閉觸點(diǎn)閉合,電路正常運(yùn)行。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖2所示。首先,協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化,主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行復(fù)位;其次,檢測(cè)是否接收到上位機(jī)或者其他終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);最后,將從終端接收的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),或者將上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)下發(fā)至其他終端節(jié)點(diǎn)。

3.2門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖3所示。首先,門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化;其次,根據(jù)RFID讀卡器的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行反饋,如果RFID讀卡器接收到數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器上傳至上位機(jī)。如果是上位機(jī)發(fā)出指令,則會(huì)判斷是開鎖或關(guān)鎖指令。

3.3電源插座終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

電源插座終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。首先,將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化,插座處于斷電狀態(tài);其次,在接收到上位機(jī)的指令后,控制插座接通電源。當(dāng)出現(xiàn)電流過大時(shí),插座終端自動(dòng)關(guān)閉該電源,同時(shí)向上位機(jī)發(fā)出過流信號(hào),上位機(jī)將對(duì)插座終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出斷電指令。

4系統(tǒng)調(diào)試

在所有程序編寫或編譯無誤后,下載至協(xié)調(diào)器和各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)中,進(jìn)行調(diào)試:

RFID讀卡器可以正確讀卡,且可以將數(shù)據(jù)傳遞給各個(gè)節(jié)點(diǎn),再上傳至上位機(jī),同時(shí)也可以接受上位機(jī)的控制指令,再發(fā)送至各個(gè)節(jié)點(diǎn);門禁系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可以接收上位機(jī)的控制指令,完成開鎖和關(guān)鎖信號(hào),可以檢測(cè)到門打開的時(shí)間,當(dāng)超過預(yù)定時(shí)間后發(fā)出警報(bào),將信號(hào)上傳至上位機(jī);電源插座終端節(jié)點(diǎn)可以接收上位機(jī)的開通或關(guān)閉指令,完成相應(yīng)操作和數(shù)據(jù)回傳。

5結(jié)語

本文主要介紹了基于嵌入式智能電子實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì),通過RFID和Zigbee技術(shù),可以滿足開放實(shí)驗(yàn)室管理的基本要求。關(guān)于本文的不足之處,還可以增加其他節(jié)點(diǎn),包括溫濕度、煙霧等感知節(jié)點(diǎn),提升實(shí)驗(yàn)室管理的效率。

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