具有無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理裝置的研究

伏啟陽(yáng)，肖 丹

(1.齊齊哈爾電視臺(tái)錄制部，黑龍江齊齊哈爾 161000;2.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150080)

隨著我國(guó)科教水平的提高，政府在科研教學(xué)方面的投入力度不斷加大，目前國(guó)內(nèi)的科研教學(xué)硬件設(shè)施在某些領(lǐng)域已經(jīng)可以與國(guó)外一流的大學(xué)和科研院所相媲美。但國(guó)內(nèi)的管理水平和先進(jìn)設(shè)備的利用率遠(yuǎn)不如國(guó)外。我國(guó)實(shí)驗(yàn)室的管理方式依然是傳統(tǒng)的、封閉式的管理，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都需要固定的專業(yè)人員來(lái)管理，使用者要想進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，首先要和工作人員聯(lián)系，然后辦理使用手續(xù)，過(guò)程煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，從實(shí)際出發(fā)，利用射頻技術(shù)和無(wú)線GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)可以滿足實(shí)驗(yàn)室管理的射頻卡裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的無(wú)人化管理。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

主要針對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室管理水平落后的現(xiàn)狀，借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理經(jīng)驗(yàn)，將目前風(fēng)靡全球的射頻卡技術(shù)、GPRS技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的無(wú)人化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理，改變制度和管理上的落后局面。系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示:

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)實(shí)現(xiàn)校園卡、公交卡一卡通，用戶不必另行購(gòu)卡。

(2)對(duì)持卡用戶可以設(shè)定使用權(quán)限、使用時(shí)間。

(3)可以通過(guò)上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程修改用戶使用權(quán)限，開通和終止設(shè)備的使用。

(4)用戶對(duì)設(shè)備的使用情況存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 System function schematic

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化和智能管理功能，在設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)分成主控部分、射頻卡讀卡部分、GPRS無(wú)線數(shù)傳部分、按鍵及顯示部分、時(shí)鐘部分、存儲(chǔ)部分和電源控制部分等，如圖2所示。

其中主控部分是本系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和調(diào)度。考慮到實(shí)時(shí)性和可靠性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中選用可嵌入操作系統(tǒng)的單片機(jī)。本設(shè)計(jì)選用PIC24系列單片機(jī)，該單片機(jī)可嵌入FreeRTOS操作系統(tǒng)，可保證系統(tǒng)的可靠控制和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。射頻卡讀卡部分在設(shè)計(jì)中主要從通用性角度考慮，盡量簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備使用權(quán)限的管理。它是人機(jī)交互接口之一，是用戶進(jìn)行身份認(rèn)證的通道，有效的射頻卡在授權(quán)范圍內(nèi)，使用者可以通過(guò)射頻認(rèn)證來(lái)使用設(shè)備，無(wú)效卡則被拒之門外。GPRS無(wú)線數(shù)傳部分主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用狀態(tài)信息、參數(shù)設(shè)置等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

圖2 系統(tǒng)整體框圖Fig.2 System overall block

3 射頻卡接收部分的選擇與設(shè)計(jì)

射頻卡又稱非接觸式IC卡，是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破［1］。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用完美公司生產(chǎn)的EMID只讀模塊WM01－T。WM－01T模塊屬于通用型射頻讀卡傳感器，也被稱作讀卡器模塊、讀卡頭、讀卡譯碼模塊、讀卡感應(yīng)器和讀卡機(jī)模塊等。其主要功能是:讀卡，將卡號(hào)輸出給其他控制設(shè)備(如門禁控制器，加油機(jī)控制器等)，啟動(dòng)特定功能的運(yùn)行(如開門、加油等)。

由于該讀卡器無(wú)內(nèi)置天線，因此，需要使用者根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)制作。射頻模塊所匹配的天線線圈的參數(shù)必須準(zhǔn)確，否則讀鑰性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。制作天線時(shí)必須用儀器測(cè)量其參數(shù)。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了與射頻模塊匹配的天線參數(shù)(見表1)。該線圈對(duì)鑰匙型感應(yīng)體的識(shí)別距離為45mm，對(duì)卡片型感應(yīng)體為90mm。天線的尺寸與讀卡距離有關(guān)，天線的尺寸減小將縮短讀卡距離［2］。

4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分的選擇與設(shè)計(jì)

GPRS具有永遠(yuǎn)在線、按傳輸流量計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)，不僅適用于大批量數(shù)據(jù)傳輸，還適用于間斷的小批量的數(shù)據(jù)傳輸。它的優(yōu)點(diǎn)尤其體現(xiàn)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遙測(cè)遙控應(yīng)用領(lǐng)域中［3］。本系統(tǒng)主要利用單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)ME3000V2無(wú)線GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)端到端的通信方式。

表1 天線設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Antenna design parameters

ME3000V2模塊是中興公司新推出的高性能通信模塊，主要由基帶處理器、射頻模塊、閃存、供電模塊、天線接口、SIM卡接口等組成，支持AT指令集。其內(nèi)部集成了嵌入式TCP/IP協(xié)議，可以進(jìn)行透明與不透明的傳輸。與國(guó)外同類型模塊如MC52i和MC35等相比，具有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。另外，在電路設(shè)計(jì)上，ME3000V2也相對(duì)簡(jiǎn)單，管腳復(fù)雜度低，外圍元器件需要較少，管腳接線圖如圖3所示。由于GPRS模塊為3.7V供電，因此，在設(shè)計(jì)中需根據(jù)單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。

圖3 ME3000V2管腳接線圖Fig.3 ME3000V2 pin wiring diagram

5 結(jié)論

實(shí)踐表明，本系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，人機(jī)界面友好，易于操作，功能齊全。由于均采用通用器件和模塊設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性，也可用于其他設(shè)備的管理，具有很廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

［1］楊友文.射頻IC卡系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，25(z1):982 －984.

［2］付磊，邱力軍.基于RFID技術(shù)的射頻卡讀寫器設(shè)計(jì)［J］.第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(14):1332 －1334.

［3］趙亮.GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26(9):2552 －2554.