實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜華 李進(jìn)

摘 ?要：本文主要研究了一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的利用率監(jiān)控裝置，該裝置通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程獲取所需采集的實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備的使用時(shí)間及利用率參數(shù)，并具有命令輸入和必要信息的顯示功能。系統(tǒng)采用DSPIC30F4013作為系統(tǒng)MCU，通過掃描條碼將所需查詢的設(shè)備信息傳送至MCU，通過W5100單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組網(wǎng)通信，遠(yuǎn)程讀取各實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的相關(guān)電流、電壓及溫度信息，傳輸至裝置MCU進(jìn)行后續(xù)分析，從而得到該設(shè)備的利用率和使用時(shí)間數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)備利用率;W5100;物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311.52;TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）17-0157-04

Abstract：This paper mainly studies a monitoring device for the utilization rate of laboratory equipment. The device can acquire the time and utilization rate parameters of various laboratory equipment through the internet of things remotely，and has the function of command input and display of necessary information. The system uses DSPIC30F4013 as the system MCU，transmits the information of the inquiry equipment to MCU by scanning barcode，realizes network communication of network communication system through W5100 single chip network interface chip，reads the relevant current，voltage and temperature information of each laboratory equipment remotely to MCU for subsequent analysis，thus，the utilization rate and use time data of the equipment can be obtained.

Keywords：equipment utilization rate;W5100;internet of things;remote monitoring

0 ?引 ?言

隨著現(xiàn)代研究和實(shí)驗(yàn)室工作流程的演變，實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理變得智能化，使數(shù)據(jù)能夠真正發(fā)揮它的價(jià)值成為一種趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理與維護(hù)中，儀器設(shè)備利用率往往是非常關(guān)鍵但卻容易被忽略的部分，抓取準(zhǔn)確的利用率數(shù)據(jù)是減少實(shí)驗(yàn)室經(jīng)營(yíng)性運(yùn)營(yíng)費(fèi)用并對(duì)儀器設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行最優(yōu)化組合的方法。為此，本文主要研究了一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的利用率遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，該裝置基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集抓取設(shè)備的使用情況數(shù)據(jù)，不受設(shè)備種類的限制。該裝置的基本實(shí)現(xiàn)原理就是通過采集各設(shè)備的實(shí)時(shí)工作電流、電壓、溫度等信息，通過物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)并傳送至設(shè)備利用率裝置進(jìn)行分析，從而得到實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備的使用時(shí)間及利用率。

1 ?系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)備利用率裝置的設(shè)計(jì)目的是：通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程獲取所需采集實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備的使用時(shí)間及利用率參數(shù)，并具有命令輸入和必要信息的顯示功能，基于此，系統(tǒng)主要由電源模塊、MCU最小系統(tǒng)、功能按鍵輸入模塊、條碼掃描輸入模塊、互聯(lián)網(wǎng)通信模塊、液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊組成，如圖1所示。

系統(tǒng)中，電源模塊的作用主要是為其他各功能模塊提供相應(yīng)的電源;功能按鍵輸入模塊用于給系統(tǒng)輸入相應(yīng)的指令信息;條碼掃描輸入模塊的作用是通過掃描條碼為系統(tǒng)輸入所需查詢的設(shè)備信息;互聯(lián)網(wǎng)通信模塊用于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的處理和收發(fā);液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊用于顯示必要的系統(tǒng)信息。

2 ?裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?電源模塊設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率監(jiān)控裝置采用直流24V穩(wěn)壓器供電，但由于裝置電路中部分芯片和器件需要5V供電，部分芯片需要3.3V供電，為此需要設(shè)計(jì)5V及3.3V的電源電路。

2.1.1 ?5V電源設(shè)計(jì)

電路中5V電源部分采用MC34063AD實(shí)現(xiàn)，該芯片是一塊單片DC/DC變換控制電路，其輸出電壓可調(diào)，內(nèi)涵直流變換器所要求的主要功能，降壓效率最高80%，峰值電流可達(dá)1.5A，其輸入電壓范圍為3～40V，監(jiān)控裝置的供電電壓為直流24V，滿足其輸入電壓范圍，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

電路中，1腳SWC為芯片內(nèi)部達(dá)林頓管的集電極，與7腳及8腳短接;2腳SWE為芯片內(nèi)部達(dá)林頓管的發(fā)射極，外接穩(wěn)壓二極管IN5819，并通過電感L1與輸出端連接;3腳TCAP為芯片內(nèi)部振蕩器定時(shí)電容連接端，外接定時(shí)電容C7，該電容決定了芯片的內(nèi)部工作頻率;4腳GND為芯片接地端，與數(shù)字地相連。5腳-VIN為反饋比較反向輸入端，外接輸出配置電阻R4和R8;6腳VCC為電源輸入端，接24V直流輸入。

本設(shè)計(jì)中，輸出電壓是由接在5腳上的配置電阻R4和R8調(diào)節(jié)，具體計(jì)算方式為：Vout=1.25（1+R4/R8），本設(shè)計(jì)中R4為3.6KΩ，R8為1.2KΩ，所以輸出電壓為5V。

2.1.2 ?3.3V電源設(shè)計(jì)

電路中3.3V電源部分采用三端穩(wěn)壓芯片AM117MP實(shí)現(xiàn)，該芯片是一塊低壓差線性穩(wěn)壓器LDO，本設(shè)計(jì)中，其輸入端為5V，輸出端固定為3.3V，輸出電流最高達(dá)800mA，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

電路中Vin是輸入端，Vout是輸出端，另一腳接GND，電容C47為輸入濾波電容，C43、C45為輸出濾波電容。

2.2 ?系統(tǒng)MCU選擇及最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MCU是設(shè)備利用率監(jiān)控裝置的系統(tǒng)核心，本設(shè)計(jì)采用的是Microchip公司的DSPIC30F4013-30I/PT，該芯片是一款高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，采用CMOS技術(shù)，寬電壓范圍供電（2.5～5.5V，本設(shè)計(jì)采用5V供電），共有44根引腳，擁有最高48KB的片上閃存程序存儲(chǔ)空間，2KB的片上數(shù)據(jù)RAM，多達(dá)5個(gè)16位定時(shí)器，12位的A/D轉(zhuǎn)換接口，該芯片不但具有常規(guī)的單片機(jī)特性，同時(shí)還具有雙數(shù)據(jù)取操作、17*17位單周期硬件整數(shù)/小數(shù)乘法器等DSP特性，其數(shù)據(jù)運(yùn)算速度很快，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和快速性要求。MCU最小系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4中DSPIC30F4013-30I/PT的7腳、17腳、28腳、40腳接5V，6腳、16腳、29腳、39腳接電源地，30腳OSC1是時(shí)鐘信號(hào)輸入腳，外接時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)晶振頻率采用25MHz，C8、C9為晶振電容，18腳MCLR為復(fù)位引腳，外接按鍵復(fù)位電路，在此不再贅述。

2.3 ?網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率數(shù)據(jù)是通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳送至設(shè)備利用率裝置的，為此設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是北京恒信盈泰科技有限公司的W5100芯片，該芯片是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成了10M/100M以太網(wǎng)控制器，全硬件的TCP/IP協(xié)議棧，以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層MAC和物理層PHY，與IEEE 802.3 10BASE-T和IEEE 802.3u100BASE-TX兼容，可實(shí)現(xiàn)無(wú)操作系統(tǒng)的Internet連接。網(wǎng)絡(luò)通信模塊的原理如圖5所示。

W5100有三種方式與MCU接口，分別是直接總線接口、間接總線接口和SPI總線接口，本設(shè)計(jì)采用SPI總線接口方式，該模式下MCU與W5100間只需要4個(gè)引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖4、5所示，W5100的SCLK、SCS、MOSI、MISO分別與DSPIC30F4013-30I/PT的43腳、21腳、1腳、44腳連接完成數(shù)據(jù)通信;W5100的復(fù)位輸入腳RESET與DSPIC30F4013-30I/PT的41腳相連，以便MCU對(duì)其進(jìn)行復(fù)位控制;中斷輸出腳INT與DSPIC30F4013-30I/PT的42腳相連，以便當(dāng)W5100在端口（Socket）產(chǎn)生連接、斷開、接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送完成以及通信超時(shí)等條件下，該引腳能輸出信號(hào)以指示MCU;W5100的RXIP、RXIN、TXOP、TXON腳分別與HR9111-05A網(wǎng)絡(luò)接口的TD+、TD-、RD+、RD-相連，通過它們接收從介質(zhì)傳輸來的或向介質(zhì)傳輸?shù)牟罘謹(jǐn)?shù)據(jù)信號(hào);W5100的XTLP、XTLN引腳間連接的是芯片外部晶振電路，用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，本設(shè)計(jì)中晶振頻率選擇25MHz，其他電路部分較為簡(jiǎn)單，這里不再贅述。

2.4 ?顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用常用的字符型液晶模塊SMC1602A進(jìn)行顯示，該模塊有16條引腳線，可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符。SMC1602A具有8位數(shù)據(jù)總線DB0—DB7和RS、RW、E三個(gè)控制端口，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光設(shè)置。液晶顯示模塊的整體電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

為節(jié)省MCU的I/O口，本設(shè)計(jì)采用74LS164進(jìn)行串轉(zhuǎn)并后，通過74LS164的Q0—Q7分別與SMC1602A的數(shù)據(jù)口DB0—DB7相連，MCU的SCK、SDA腳分別與74LS 164的CLK和A腳相連，作為串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)口;SMC1602A的RS、RW、E三個(gè)控制端口分別與MCU的22腳、24腳、27腳相連，VO通過可變電阻R1與地相連，作為液晶背光調(diào)節(jié)。

2.5 ?條碼掃描輸入模塊設(shè)計(jì)

條碼掃描輸入模塊的作用是通過掃描條碼為系統(tǒng)輸入所需查詢的某實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的信息，進(jìn)而系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程獲取其相關(guān)電壓、電流等信息。本設(shè)計(jì)中通過條碼掃描槍將所需采集設(shè)備的信息通過串行數(shù)據(jù)通信的方式輸入至系統(tǒng)MCU進(jìn)行后續(xù)處理，其硬件電路如圖7所示。

圖7中，條碼掃描槍使用RS232串行通信接口，通過串行通信芯片MAX232ACSE將條碼信息發(fā)送至MCU，掃描槍連接器的1、2、3、4腳分別通過電阻與MAX232ACSE的T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN相連，5腳接地;MAX 232ACSE的9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、11腳（T1IN）、12腳（R1OUT）分別通過電阻與DSPIC30F4013-30I/PT的35腳、32腳、2腳、3腳相連，構(gòu)成MCU與掃描槍的串行接口電路;D12—D15為TVS瞬態(tài)抑制二極管，用于電路的ESD靜電保護(hù)。

3 ?結(jié) ?論

本文研究了一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率檢測(cè)裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用DSPIC30F4013數(shù)字信號(hào)控制器作為系統(tǒng)MCU，通過掃描條碼將所需查詢的某實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息傳送至MCU，通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信讀取所需查詢?cè)O(shè)備的相關(guān)參數(shù)信息，再由利用率檢測(cè)裝置的MCU分析計(jì)算后得到該設(shè)備的利用率信息。本設(shè)計(jì)操作方便，成本低廉，使用簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

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作者簡(jiǎn)介：姜華（1980-），男，漢族，江蘇無(wú)錫人，碩士，研究方向：汽車零部件檢測(cè)、智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè);李進(jìn)（1980-），女，漢族，山西右玉人，副教授，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用。