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实验室智能管理系统的设计及应用

作者:未知

  摘要:设计了一种以单片机Atmega128为控制核心,采用RFID射频识别技术及无线通讯技术的集考勤记录、设备使用情况、室内温度、区域照明和电源管理等功能的现代实验室集中管理系统。该系统具有管理方便和操作可视化,节能和环保等优点,为老师和学生提供一个安全舒适的现代一体化教学环境。提高教学效率,保护师生安全,优化实验室管理,体现了实验室智能管理系统的重要性和优越性。
  关键词:实验室 智能管理 实践教学
  中图分类号:TP315 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)01-0000-00
  Abstract:Designed a set attendance records, equipment usage, indoor temperature, area lighting and power management features such as centralized management system of modern laboratory, which for the control core of the Atmega128 microcontroller,the records RFID radio frequency identification technologyand wireless communication technology. The system has the facilitate management and operation of visualization, energy saving and environmental protection, etc. It provide a safe and comfortable environment for a modern integrated teaching teachers and students. Improve teaching efficiency, protect the safety of teachers and students, to optimize laboratory management, reflecting the importance and advantages of intelligent lab management system.
  Key words:Laboratory;Intelligent management;Practical Teaching
  为了全民职业素质的提高,多数高校转型为应用型技术大学势在必得,各类院校提高实验实训中心建设的质量,增强实践教学的监控体系[1]。一体化教学模式子在实验实训教学中是主流发展趋势,并且正确的应对了实践是检验真理的唯一标准,不再让理论与实践严重脱节,出现“两张皮”现象。实验实训设备的利用率随之而提高,增加了实验实训管理人员的工作强度和实验实训设备的维护率,并且通过对切身经历发现以下问题:现在的教学占用了大量的教学时间来管理实验设备,实验室经常出现没人使用的仪器在运行,管理混乱,浪费大量的能源的问题;学生没有经过老师同意就擅自通电,造成很多的事故发生。所以为了提高教师教学效率,保护师生安全,优化实验室管理,为老师和学生提供一个安全舒适的实验环境而设计了一种实验室智能管理系统[2]。
  系统以Atmega128为控制核心,采用RFID射频识别技术及无线通讯技术研究开发实验室智能管理系统。教师端可以实时查看实验室的状态,如考勤,控制各个实验桌的电源通断和教室区域照明,监控学生的训练状态及实验室环境监测,同时各实验桌也有可视化界面方便查阅资料和教学记录等,具有管理方便和操作可视化,节能和环保等优点,提高了实验室的利用率[3]。
  1 实验室智能管理系统的结构设计
  智能实验室控制系统分为上位机显示控制单元、主机控制单元以及实验桌控制单元三大部分,具体主要由PC上位机、Atmega128单片机、RC522射频识别模块、WIFI模块、触摸屏显示模块、继电器控制模块、RS232转串口模块以及单总线温度传感器DS18B20等组成,如图1所示。
  1.1 上位机显示部分
  利用具有图形化语言的Labview软件制作的上位机显示界面实现双向数据传输,即通过PC机232串口向主机单片机发送数据,主机单片机根据接收到的数据执行相应的操作,具体可监控实验室区域照明、实验桌电源、学生考勤和实验桌使用记录等信息[4]。
  1.2 主机控制部分
  利用WIFI无线网络建立主机与从机无线通讯,既可以实现局域控制,也可以通过以太网远程控制。主机向指定的从机发出控制信号,控制其相应的电源开关通断以及实验室的照明设备。从机可以向主机发出请求指令,如学生提问的信息以及实验桌的故障信息等。
  图1 系统结构图
  1.3 实验桌控制部分
  该单元采用了整体封装结构,把各模块都安装在实验桌的控制箱中。在触摸屏上设有提问按键,课时任务等页面。实验桌单元具体控制如下:
  (1)实验桌安装有提问按钮,学生有疑问就可以按下该按钮,实验箱内的控制器接受到信号会通过WIFI网络发送到教师端,教师通过上位机监控软件可以知道对应实验桌的动态,并且了解到该区域有教学任务。教师可以通过上位机软件远程控制实验桌的实验供电电源开关通断及对该区域照明控制开关通断;同时教师端显示学生有提问信息,教师及时了解学生的动态,知道学生需要有解决的问题。
  (2)教师端还可以定时控制实验桌的三相电源、单相电源、实验室照明以及空调等电源的通断,在考核方面尤为重要。
  (3)触摸屏显示模块主要是课程任务及课程相关资料等教学资源。触摸屏采用串口屏,从机接受到该触摸屏的指令从而通过串口给触摸屏发送相应的指令来实现触摸屏的相应操作。   (4)实验桌设有校园一卡通考勤刷卡功能,通过RFID射频无线技术发到教师端并归档作为考勤记录。
  (5)实验桌设计了电源检测单元,实时监控实验桌电源状况,如出现短路现象,输出驱动继电器直接切断电源实现保护功能,同时将短路信息发送到教师端。
  2 实验室智能管理客户端的软件设计
  客户端设计分为两个部分,上位机界面设计和实验桌软件设计两部分。
  2.1 上位机界面设计
  利用Labview软件采用可视化图形语言编写上位机界面监控实验室运行数据同时具有制作简单,通用性好的优点。
  上位机界面设有串口设置区域、信息收发查看区域、考勤显示区域及区域照明控制区域四大部分组成,具体如图2所示。
  (1)串口设置区域为通用串口基本类似,包括串口号、波特率、奇偶校验、打开串口、关闭串口及退出程序设置功能,完全兼容所有的计算机操作系统,增加了使用说明按钮,其作用为软件的具体使用方法及所具备的的功能。计算机和主控制器的串口通讯设置参数如表1所示。
  表 1 收发数据协议
  帧头 数据长度 主机编号 指令 数据 校验和
  通信状态 0x3A 0x35 0x04 02 0x0A 0x02 0x0C
  数据读 0x3A 0x35 2+(x+1) 02 0x0B 0...n byte 0x**
  数据写 0X3A 0x35 2+(x+1) 02 0x0C 0...n byte 0x**
  (2)信息收发查看区域包括上课模式、注册、查看使用记录、写入缓冲区及发送(SEND)功能。上课模式主要可以设置实训课程为训练模式或者考核模式,其中考核模式可设置实训装的运行时间;注册功能主要是完成学生校园一卡通信息采集;查看使用记录功能主要是查看实验室历史使用情况,包括课程档案管理及实验室运行记录情况等信息;写入缓冲区功能为教师端发送到各实验桌的具体信息内容,点击发送按钮既可以发到到实验桌的触摸屏上。
  图2 上位机界面
  (3)考勤显示区域包括打开上课班级名单、班级总人数、当前已到人数及详细信息功能。点击上课班级名单功能,计算机调用Excel文档显示具体班级名单;在学生上课之前操作一卡通考勤项可以显示当前已到人数;并且点击详细信息可以显示已到学生和未到学生名单[5]。
  (4)照明控制区域主要是教师可以根据实验桌的状态控制实验室各个区域的照明,具有操作简单,节约用电的优点。
  2.2 程序控制设计
  主控芯片Atmega128的SPI功能控制RC522射频模块,实现上位机与单片机的通讯,实验箱使用MCU使用串口控制液晶触摸屏,单片机与WIFI模块传统通讯转换为WIFI局域网络,从而实现主机与从机实验桌无线通讯 。
  无线模块收到不同的数据执行不同命令对各功能进行控制,具体程序流程如图3所示。
  图3 控制单元软件流程图
  3 实验室智能管理系统的使用条件
  3.1实验室环境
  需要安装实验室智能管理系统的实验室至少具备一台安装无线网卡的主计算机作为教师客户端,使用WIFI无线网络,能有干扰信号源,要求屏蔽性好。实验室许引入三相五线制交流,为了人生和设备的安全,实验桌安装PE保护线。实验室要投入区域照明控制功能,实验室照明装置的开关需要设置WIFI网络节点,最多可以控制256网络节点。
  3.2正常投入使用
  实验室智能管系统正常投入使用一切以学生为主,因为任何教学的主体是学生。教师有责任将智能管理系统密切结合学生现有技能水平与教学融为一体,正确合理使用,充分发挥现代化管理系统的作用。作为现代职业技术教育的教师要熟练掌握智能管理系统未来发展趋势,更进一步优化实验室智能管理系统。教师通过现代化网络手段操控课堂教学,合理利用一体化教学方式,配合实验实训设备完成正常教学,充分体现智能化管理系统对实践教学的重要性。
  4 结语
  国内院校实验室智能控制的研究很少,随着“一体化”教学的推进,大量的实验室投入使用,实验室智能管理系统应用是极其需要,为老师和学生提供一个安全舒适的环境。
  教育教师培养人才和为社会服务,智能实验室装置对实验产品开发和培养职教师资、实现一体化智能管理大有裨益。
  参考文献
  [1] 郝飞.智能实验室管理系统在高校实践教学中的设计与应用[J].职业教育研究,2012,12.
  [2] 肖看,尹仕 等.创新型电工电子全开放实验教学模式探索与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(4):79-82.
  [3] 吴鹏程.德国高职教育分析及其启示[J].中国西部科技,2007,(3):71-72.
  [4] 孟绍斌.基于CAN 总线的教室节能控制系统研究[J].硅谷,2011(15).
  [5] 顾威.基于总线的智能教室控制系统的设计与研究[D].合肥:合肥大学,2007.
  收稿日期:2015-01-05
  基金项目:天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目《一种实训室智能管理系统装置的研究与开发》,项目编号:KJ14-18。
  作者简介:郝飞(1987―),男,汉族,内蒙古乌兰察布人,天津职业技术师范大学工程实训中心教师,维修电工技师,研究方向:电工电子、电气自动化、可编程序控制技术以及工业控制等。


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