无人自主实验室的网络控制系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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，本专利技术采取了如下技术方案。本系统本技术无 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STM32fl03的普通I/O管脚相连。MCU采用的是 STM32fl03。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。本技术具有以下优点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) —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i系统拓扑结构图2客户端结构示意图3 STM32fl03电路原理图4 STM32fl03基本外围电路原理图5 W5100模块电路原理图(与STM32fl03的连接已用网络标识符表明)； 图6 RFID读卡器和电控锁的电路连接原理图(与STM32fl03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。具体实施方式以下结合附图对本技术的具体实施方式做进一步地阐述 本技术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，在本技术中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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁流，王啸，陈东升，伍毅，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]