基于指紋與電源控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林鳳屏，王正朝，黃 飛，唐良華，張彥定

(福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福州 350108)

基于指紋與電源控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林鳳屏，王正朝，黃 飛，唐良華，張彥定

(福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福州 350108)

為進(jìn)一步加強(qiáng)高校開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的管理，提高儀器設(shè)備的利用率，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于指紋和電源控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。其中，指紋識(shí)別模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶身份的注冊(cè)與驗(yàn)證，電源控制模塊綜合了嵌入式技術(shù)、無(wú)線射頻通信技術(shù)、電源控制技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的控制與實(shí)時(shí)監(jiān)控，有望最終提高實(shí)驗(yàn)室的管理效率和技術(shù)水平，為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供良好的環(huán)境。

指紋識(shí)別；電源控制；開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；管理系統(tǒng)

高校教學(xué)科研實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放不僅能為學(xué)生提供更多自主發(fā)展和實(shí)踐鍛煉的空間，還能最大限度地提高儀器設(shè)備的利用率。目前高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理模式，一般采用人工管理或者“ID+密碼”、磁卡的方式。前者大大增加了管理人員的工作量，后者需要用戶記憶密碼、賬號(hào)，不僅增加了記憶負(fù)擔(dān)，也容易被冒名頂替，而且由于磁卡的可借用性易造成管理的混亂[1]。此外，也有部分高校采用控制機(jī)柜來(lái)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備供電，這種方式不但增加了實(shí)驗(yàn)室布線的難度，也不利于實(shí)驗(yàn)室的改建[2]。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于指紋識(shí)別和電源控制的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，有望提高實(shí)驗(yàn)室的安全性和管理效率，有利于實(shí)驗(yàn)室高智能、高效率地全天候開(kāi)放。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三部分組成：信息管理模塊、指紋識(shí)別模塊、電源控制模塊。PC機(jī)采用TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸與管理;指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)用戶身份的注冊(cè)與驗(yàn)證;電源控制模塊的主控單元(AMR微控制器)和受控單元(電源控制單元)之間采用無(wú)線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的開(kāi)/關(guān)控制以及狀態(tài)查詢、過(guò)流保護(hù)等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要涉及指紋識(shí)別模塊、主控單元硬件、無(wú)線射頻收發(fā)模塊和受控單元硬件。

2.1 指紋識(shí)別模塊

系統(tǒng)采用美國(guó)Digital Persona公司的U.are.U4000微型指紋儀，它集成精密光學(xué)系統(tǒng)、LED光源和CMOS攝像頭協(xié)同工作，在圖像攝取時(shí)進(jìn)行電壓控制、自動(dòng)矯正，自動(dòng)讀取指紋圖像，并通過(guò)USB接口將數(shù)字化的指紋圖像傳送至PC機(jī)。支持中控科技Biokey SDK軟件開(kāi)發(fā)包，可以在應(yīng)用程序中增加指紋識(shí)別功能，無(wú)需通過(guò)姓名、PIN等預(yù)先分類就可以在1～5 s內(nèi)完成指紋識(shí)別(2 000～6 000枚指紋)，且圖像質(zhì)量大于300 dpi[3_4]。

圖1 系統(tǒng)總框架圖

2.2 主控單元硬件設(shè)計(jì)

嵌入式微控制器是主控單元的核心，系統(tǒng)采用Samsung ARM9_S3C2410。它是一款基于ARM920T內(nèi)核設(shè)計(jì)的16/32位RISC嵌入式微處理器，支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器，最高運(yùn)行頻率203 MHz，具有豐富的接口資源[5_6]，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

系統(tǒng)配置了兩片32 MB的Samsung SDRAM，一片intel strata flash(16 MB)，一片ATMEL AT49LV1614A，2 MB NOR Flash，用于擴(kuò)充內(nèi)存。另外，還包括蜂鳴器、JTAG調(diào)試接口以及與PC機(jī)和以太網(wǎng)通信的RS232接口及RTL820I以太網(wǎng)物理層接口控制芯片等器件。

2.3 無(wú)線射頻收發(fā)模塊

電源控制裝置的主控單元與受控單元的通信通過(guò)無(wú)線射頻收發(fā)模塊完成。系統(tǒng)采用挪威Nordic公司的nRF905芯片，集無(wú)線射頻收發(fā)于一體，由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，采用ShockBurstTM工作模式，可自動(dòng)完成處理字頭和CRC的工作，可工作于433/ 868/915 MHz三個(gè)ISM頻段(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))，且頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs。另外，它采用GFSK調(diào)制方法，抗干擾能力強(qiáng)，能很好地減少噪聲環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能的影響[6]。nRF905提供SPI接口，實(shí)現(xiàn)與外部裝置的雙向通信。

2.4 受控單元硬件設(shè)計(jì)

電源控制器是受控單元的核心，系統(tǒng)采用美國(guó)ATMEL公司的AT89C51。它是一款低電壓、高性能的CMOS8位微處理器，內(nèi)含4 KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?？紤]實(shí)驗(yàn)臺(tái)通常包括多種儀器設(shè)備，系統(tǒng)選擇了30 A切換能力的T90型大電流繼電器控制總電源開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)使用次數(shù)可達(dá)到1 000萬(wàn)次。此外，為保障安全，系統(tǒng)還配置有過(guò)流保護(hù)和報(bào)警提示，通過(guò)電流互感器來(lái)檢測(cè)流過(guò)電源線的電流，如果電流超過(guò)預(yù)設(shè)值則報(bào)警，過(guò)流時(shí)間大于10 s，則切斷整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，并將報(bào)警信號(hào)反饋至主控單元，上傳至PC機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)信息管理軟件、指紋識(shí)別軟件、主控單元軟件、受控單元軟件。

3.1 系統(tǒng)信息管理軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇VB、SQL Server2005數(shù)據(jù)庫(kù)及Office 2003作為開(kāi)發(fā)工具，將實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)里，PC機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸與管理。信息管理軟件功能模塊如圖2所示。

圖2 信息管理軟件功能模塊圖

3.2 指紋識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

由PC機(jī)和指紋儀組成的指紋識(shí)別系統(tǒng)主要完成兩大功能：指紋登記和指紋比對(duì)。它們主要通過(guò)調(diào)用DSK軟件包提供的函數(shù)完成，為得到一個(gè)可靠的指紋模板，系統(tǒng)將控件屬性Enroll Count設(shè)置按壓登記采集指紋的次數(shù)為3次。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，選用l∶N指紋識(shí)別算法，具體按照如圖3所示的流程處理指紋。

圖3 指紋識(shí)別模塊任務(wù)流程圖

3.3 主控單元軟件設(shè)計(jì)

主控單元軟件設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序編寫。由于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS_II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程工具絕大部分是C語(yǔ)言編程，可以在大多數(shù)界面友好的編譯器中編譯生成目標(biāo)代碼，故而作為整個(gè)系統(tǒng)的框架貫穿于系統(tǒng)運(yùn)行的始終。本單元軟件設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)：接受PC機(jī)指令(實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)啟、關(guān)閉、查詢等)，通信模塊工作模式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，信息反饋，異常報(bào)警提示等，具體任務(wù)流程如圖4所示。

3.4 受控單元軟件設(shè)計(jì)

受控單元對(duì)來(lái)自無(wú)線射頻收發(fā)模塊的指令進(jìn)行解析，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的開(kāi)/關(guān)控制、狀態(tài)查詢，附帶實(shí)時(shí)過(guò)流監(jiān)測(cè)、過(guò)流保護(hù)以及異常報(bào)警提示功能。受控單元的具體任務(wù)流程如圖5所示。

圖4 主控單元任務(wù)流程圖

圖5 受控單元任務(wù)流程圖

4 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

將各部分硬件裝置按圖1連接好，然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容與結(jié)果如下：

1)對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成對(duì)246名學(xué)生的指紋注冊(cè)和比對(duì)測(cè)試，正確率達(dá)100。

2)通過(guò)操作計(jì)算機(jī)軟件，控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的通斷和查詢實(shí)驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)。通過(guò)此項(xiàng)調(diào)試與測(cè)試，驗(yàn)證了串口通信、無(wú)線射頻接收與發(fā)射、繼電器通斷的有效性。通過(guò)對(duì)不同分布節(jié)點(diǎn)的反復(fù)測(cè)試，通斷電正常運(yùn)行，結(jié)果顯示正確。

3)通過(guò)操作主控單元的鍵盤，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)查詢和電源通斷控制測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了主控單元程序運(yùn)行正常、LCD顯示正確。

4)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)的查詢、添加、刪除、修改、生成報(bào)表等操作，測(cè)試結(jié)果正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于指紋識(shí)別和電源控制的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)將成熟的指紋識(shí)別技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線射頻通信技術(shù)、電源控制技術(shù)進(jìn)行融合、改進(jìn)。通過(guò)指紋識(shí)別確認(rèn)用戶身份，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行智能分配，記錄其實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并對(duì)故障自動(dòng)報(bào)警以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)過(guò)流保護(hù)。同時(shí)，采用無(wú)線射頻通信技術(shù)，減少了布線的麻煩和改遷改建費(fèi)用。這種管理方式打破了以往要由教師在實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)學(xué)生簽到和記錄的傳統(tǒng)管理方式[7]，使得實(shí)驗(yàn)室管理人員、實(shí)驗(yàn)用戶、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間等幾個(gè)要素得以高效配置，減少了技術(shù)成本和管理成本，提高了儀器設(shè)備的使用效率，實(shí)現(xiàn)了安全、高效的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性管理。

另外，系統(tǒng)提供有力的數(shù)據(jù)與接口支持，通過(guò)TCP/IP與服務(wù)器相連，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)成績(jī)共享、實(shí)驗(yàn)室使用情況以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)預(yù)定和查詢等多種功能。它不但適用于各個(gè)高校建立相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，而且適用于企業(yè)建立符合自身?xiàng)l件的管理方式，同時(shí)還可擴(kuò)展到取代校園一卡通的管理方式，或者是重要的考試考務(wù)系統(tǒng)中去，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]丁曉玲，徐偉平，胡敏.網(wǎng)絡(luò)化分布式國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，18(2)：114_118.

[2]左富強(qiáng)，賈丹丹，李宏.基于嵌入式指紋識(shí)別的開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，26(11)：19_22.

[3]葉蘭，左富強(qiáng)，李宏.基于電源控制的實(shí)驗(yàn)室集成管理系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2009，26(6)：58_60.

[4]韓知恩，周建春，張彬.基于指紋識(shí)別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(12)：85_87.

[5]賈寶磊，丁海峽，倪遠(yuǎn)平.基于AMR的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2008，30(6)：82_83.

[6]張少杰，馬鐵華，沈大偉.基于ARM9的無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18(4)：304_307.

[7]陳昭炎，李惠玲.開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理模式的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(11)：107_109.

Design of Laboratory M anagement System Based on Fingerprint and Power Control Technology

LIN Fengping，WANG Zhengchao，HUANG Fei，TANG Lianghua，ZHANG Yanding
(College of Life Sciences，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

A new open laboratorymanagement system based on fingerprint recognition and power control technology was designed for improvement of themanagement levelofopen laboratory，the utilization rate of instruments and equipment in university.The fingerprint identification module is used to register and verify the experimenter＇s identity，and power of experiment is controlled and supervised by the joint effort of the embedded technology，wireless RF communications and power control technology.And this system will not only improvemanagement efficiency and laboratory skills，but also provide a favorable environment tomake contribution to the training of innovation ability of the students.

fingerprint recognition;power control;open laboratory;management system

G482；TP315

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.060

2012_06_18；修改日期：2013_06_13

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET_12_ 0614）。

林鳳屏（1985_），女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)室管理工作。