具有无线联网功能的实验室设备管理装置的研究

2013-09-03伏启阳

黑龙江科学 2013年2期

伏启阳，肖丹

(1.齐齐哈尔电视台录制部，黑龙江齐齐哈尔 161000;2.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150080)

随着我国科教水平的提高，政府在科研教学方面的投入力度不断加大，目前国内的科研教学硬件设施在某些领域已经可以与国外一流的大学和科研院所相媲美。但国内的管理水平和先进设备的利用率远不如国外。我国实验室的管理方式依然是传统的、封闭式的管理，每个实验室都需要固定的专业人员来管理，使用者要想进入实验室，首先要和工作人员联系，然后办理使用手续，过程烦琐，费时费力。因此，从实际出发，利用射频技术和无线GPRS技术，设计可以满足实验室管理的射频卡装置，实现实验室的无人化管理。

1 系统实现功能

主要针对国内实验室管理水平落后的现状，借鉴国外发达国家先进实验室设备的管理经验，将目前风靡全球的射频卡技术、GPRS技术应用于实验室设备管理中，进而实现实验室设备的无人化、智能化和网络化管理，改变制度和管理上的落后局面。系统功能示意图如图1所示:

本系统在设计上主要实现以下功能:

(1)实现校园卡、公交卡一卡通，用户不必另行购卡。

(2)对持卡用户可以设定使用权限、使用时间。

(3)可以通过上位机软件远程修改用户使用权限，开通和终止设备的使用。

(4)用户对设备的使用情况存储于系统内，并通过GPRS网络实时上传到计算机。

图1 系统功能示意图Fig.1 System function schematic

2 系统整体设计

本系统为实现无人化和智能管理功能，在设计中将系统分成主控部分、射频卡读卡部分、GPRS无线数传部分、按键及显示部分、时钟部分、存储部分和电源控制部分等，如图2所示。

其中主控部分是本系统的核心部分，主要负责系统的管理和调度。考虑到实时性和可靠性问题，在设计中选用可嵌入操作系统的单片机。本设计选用PIC24系列单片机，该单片机可嵌入FreeRTOS操作系统，可保证系统的可靠控制和稳定的数据传输。射频卡读卡部分在设计中主要从通用性角度考虑，尽量简化硬件设计，实现对设备使用权限的管理。它是人机交互接口之一，是用户进行身份认证的通道，有效的射频卡在授权范围内，使用者可以通过射频认证来使用设备，无效卡则被拒之门外。GPRS无线数传部分主要实现设备使用状态信息、参数设置等数据的实时传输。

图2 系统整体框图Fig.2 System overall block

3 射频卡接收部分的选择与设计

射频卡又称非接触式IC卡，是近年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破［1］。

本系统设计采用完美公司生产的EMID只读模块WM01－T。WM－01T模块属于通用型射频读卡传感器，也被称作读卡器模块、读卡头、读卡译码模块、读卡感应器和读卡机模块等。其主要功能是:读卡，将卡号输出给其他控制设备(如门禁控制器，加油机控制器等)，启动特定功能的运行(如开门、加油等)。

由于该读卡器无内置天线，因此，需要使用者根据需求自行设计制作。射频模块所匹配的天线线圈的参数必须准确，否则读钥性能达不到设计要求。制作天线时必须用仪器测量其参数。本设计根据实际需要设计了与射频模块匹配的天线参数(见表1)。该线圈对钥匙型感应体的识别距离为45mm，对卡片型感应体为90mm。天线的尺寸与读卡距离有关，天线的尺寸减小将缩短读卡距离［2］。

4 无线数据传输部分的选择与设计

GPRS具有永远在线、按传输流量计费的特点，不仅适用于大批量数据传输，还适用于间断的小批量的数据传输。它的优点尤其体现在远程数据传输和遥测遥控应用领域中［3］。本系统主要利用单片机来驱动ME3000V2无线GPRS模块，实现无线联网，与远程计算机端到端的通信方式。

表1 天线设计参数Tab.1 Antenna design parameters

ME3000V2模块是中兴公司新推出的高性能通信模块，主要由基带处理器、射频模块、闪存、供电模块、天线接口、SIM卡接口等组成，支持AT指令集。其内部集成了嵌入式TCP/IP协议，可以进行透明与不透明的传输。与国外同类型模块如MC52i和MC35等相比，具有很大的价格优势。另外，在电路设计上，ME3000V2也相对简单，管脚复杂度低，外围元器件需要较少，管脚接线图如图3所示。由于GPRS模块为3.7V供电，因此，在设计中需根据单片机的接口设计相应的电平转换电路。