实验室设备安全及人员信息管理系统

万云霞, 汪 勇, 曹豪杰, 陶航宇, 韩红爽

(吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院, 长春 130026； b. 植物科学学院, 长春 130062)

0 引 言

随着科学技术的不断发展, 智能技术日益成熟, 实验室信息管理系统(LIMS： Laboratory Information Management System)逐渐完善, 目前国内已通过实验室认可的校准实验室已达1 387家。该系统在实验室能力建设、 质量管理和技术水平提升方面发挥巨大作用, 可为实验室高效、 智能化管理提供技术与设备支撑[1-2]。

高等院校历来非常重视理论和实践的结合, 学生实验实践环节比重不断增加, 开放实验室需求不断增大, 传统实验室向智能化实验室的发展转化已成为必然趋势。LIMS将传统的实验室设备安全与信息管理和智能技术结合, 有效提高了实验室信息管理效率。同时为实验室合理分配设备资源, 充分利用环境场地资源提供了数据支撑, 具有良好发展前景。笔者设计的系统是基于RFID(Radio Frequency Identification)、 stm32CubeIDE以及单片机的智能化管理系统, 可对实验室进行实时管理, 记录人员出入信息、 设备管理情况。同时在无人值守时进行信息化管理, 可用于各大高校的实验室, 应用范围广泛。采用该系统对高校实验室进行信息智能化管理, 可充分利用教学资源, 提高管理效率。

1 系统总体设计方案

本系统基于RFID、 STM32CubeIDE以及单片机进行功能开发, 系统分为6个模块： 人员信息检测、 设备信息检测、 视频监测、 显示屏、 通信和语音模块。系统总体功能框图如图1所示。

图1 系统总体功能框图Fig.1 System block diagram

人员信息检测模块采用IC卡RFID读卡器YMC150-C11, 设备信息检测模块采用RFID射频标签识别模块FM-507, 视频监测模块采用OV2640摄像头, 显示屏采用陶晶驰电容串口屏TJC4832T135_011C, 通信模块采用SIM900A芯片, 语音模块采用SYN6288语音合成芯片。控制系统选用STM32F1系列单片机与STM32F4系列单片机联合工作。系统运行主要流程如图2所示。

图2 系统运行流程图Fig.2 System operation flow chart

整个系统运行流程分为两部分： 一是对人员管理, 人员进入实验室需要刷IC卡获取其个人信息, 并将信息进行初步处理, 发送至上位机； 二是对设备管理, 实验设备上贴有射频标签, 未经管理员允许将实验设备带出实验室会被识别出, 将启动语音模块进行语音提示并利用摄像头模块进行现场拍照, 最后对以上信息进行保存并处理。实验室管理员可通过串口显示屏对整个系统进行操作, 通过管理员登录控制系统的启动与关闭, 还可进行密码修改、 人员与设备信息的录入等。

2 系统工作原理

2.1 RFID射频识别技术

该系统的电子标签识别和IC卡信息获取均采用RFID射频识别技术。利用FM-507超高频电子标签(UHF RFID： Ultra High Frequency Radio Frequency Identification)对仪器设备标签进行识别, 使用YMC150-C11读卡器读取IC卡信息。射频识别技术工作原理是电磁反向散射耦合： 通过天线向空间发散传播的电磁波, 依据电磁波的空间传播规律, 在碰到目标后进行反射, 从而使天线获取目标的相应位置信息[3]。

图3 RFID读写器原理框图Fig.3 RFID reader principle block diagram

根据电磁反向散射耦合原理, UHF RFID标签的工作方式是： 由收发天线向空间持续发送具有一定场强的电磁波, 当发射出的电磁波遇到空间中的UHF RFID标签时, 通过电磁波的磁场强度激活UHF RFID标签, 使UHF RFID标签产生工作, 并在空间中构建出磁场强度模型； 当收发天线持续发射出的电磁波传输到UHF RFID标签所在的位置时, 被UHF RFID标签模型阻挡产生散射和反射, 并携带上UHF RFID标签内部所携带的信息, 使阅读器在收发天线接收到反射信号时能正确解析出里面所携带的UHF RFID[4-8]。

2.2 GPRS通信技术

采用SIM900A模块实现信息传输, 该模块工作频率为900～1 800 MHz, 内含IP/TCP协议, 可实现低功耗传输数据, 短信等功能。主要实现方法是在系统复位后, 对硬件进行初始化操作。初始化完成后, 微控制单元(MCU: Microcontroller Unit)通过定时器定时扫描是否有数据请求命令, 系统每间隔一段时间就会采集一次数据, 当有命令传送时, 系统就会通过SIM900A发送数据[9]。

3 功能模块设计

主机由单片机STM32F407ZGT6、 RFID读卡器YMC150-C11、 RFID射频标签识别模块FM-507和摄像头OV2640构成, 此模块可以驱动摄像头, 并完成人员IC卡与设备射频标签的读写操作。其中摄像头与单片机的数据中心管理接口(DCMI: Data Center Manageability Interface)连接, 通过直接存储器访问(DMA: Direct Memory Access)传输数据。其余两个硬件通过串口通信实现数据的双向传输。从机由单片机STM32F103ZET6、 电容串口屏TJC4832T135_011C、 SIM900A和语音芯片SYN6288构成, 利用此模块完成语音报警提示、 发送短信和系统操作界面显示等功能。通过串口通信实现数据传输。两部分系统通过双机通信实现对整个系统的控制。

主程序流程如图4所示。系统主要通过对多硬件的驱动与双机通信实现各模块功能。

图4 主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

将单片机STM32F407ZGT6记为U1, STM32F103ZET6记为U2。当实验室管理员通过屏幕进行写卡和写标签操作时, U2会向U1发送相应的处理信号, U1处理完后向U2发送处理结果信号控制屏幕显示处理结果； 当检测到射频标签后(实验设备被带出), U1驱动摄像头进行现场拍照并将照片保存到SD卡中, 同时向U2发送控制信号, 使U2驱动语音模块SYN6288进行语音播报提醒, 并通过通信模块SIM900A向管理员发送短信。

3.1 设备管理模块

RFID射频标签识别模块FM-507通过读写标签实现对设备管理。当实验室管理人员打开系统后, 若有设备被带出实验室, 经过FM-507模块的检测范围时, 即可实现标签的读取。单片机接收到数据后会进行相应处理； 写标签操作主要应用于系统刚投入运行或实验室新增设备时对设备进行登记, 实验室管理员通过串口屏的写标签界面输入标签信息, 串口屏会将数据发送至单片机处理进而实现写标签操作。

射频标签识别模块在通信时采用默认波特率38 400 bit/s, 标签增益为25 dB, 采用UHF超高频960 MHz进行信息传输。主控制器向FM-507发送操作指令, Q指令为读取标签(EPC: Electronic Product Code)ID(Identity document)； W指令为将数据写入标签内存； R指令为读取标签内存数据； U指令为读取多标签的EPCID； QR指令为多波段单标签数据读取； UR指令为多波段多标签数据读取。设备标签识别模块通过执行控制器发送的指令完成标签识别。

3.2 视频监测模块

视频监测与图像抓取采用OV2640摄像头模块, 通过SCCB(Serial Camera Control Bus)通信协议控制, 可以输出整帧、 子采样、 缩放和取窗口等方式的各种分辨率8/10位影像数据[10]。开发者可控制图像质量、 数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程(伽玛曲线、 白平衡、 对比度和色度等)都可通过SCCB通信协议, 发送指令实现。OV2640摄像头与STM 32F4单片机的DCMI接口相连接, DCMI将摄像数据通过DMA进行传输[11-12]。摄像头采用JPEG图像输出模式, 传感器输出窗口、 图像输出大小、 开窗大小和尺寸大小等根据需要可随时调整, 图像通过DCMI接口的帧中断并使用DMA2数据流1的通道1进行数据传输。当设备监测模块感应到带有标签的设备被带出实验室时, 马上发送指令启动图像抓取功能, 并将图像存储在SD卡中, 同时将图像文件名传输至短信发送模块。

3.3 信息提示模块

信息提示包括语音报警与短信提示, 当设备被盗时系统会启动语音报警进行提示, 并将被盗设备相关信息以短信的方式发送给管理员。

语音报警提示采用SYN6288语音芯片, SYN6288芯片支持任意中文文本的合成与英文字母的合成。单片机和SYN6288语音合成芯片之间通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)接口连接, 单片机可通过通讯接口向SYN6288语音合成芯片发送控制命令和文本, SYN6288语音合成芯片将接收到的文本合成为语音信号输出, 输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放[13-15]。信号传输波特率采用默认配置9 600 bit/s, 无背景音乐模式, 数据编码方式选择GB2312编码方式, 将命令帧里的命令参数与需要合成的文本内容拼接, 进行异或检验, 最后通过串口将命令发送至芯片, 完成语音合成, 与功率放大器、 喇叭协同工作, 实现语音报警功能。

短信发送采用SIM900A模块, SIM900A模块包含天线接口和内置卡槽, 支持全部2G卡和大部分3G或4G的手机卡。笔者采用4G移动卡, 模块与单片机通过串口通信, 利用芯片支持的指令集实现短信发送功能[16]。本模块发送的短信内容为被盗设备的标签号与现场照片的文件名, 便于管理员后续登记。使用步骤如下：

1) 配置通信波特率, 编写指令发送函数, 等待网络连接;

2) GSM(Global Mobile Communication System)模块自检： 通信是否正常、 是否检测到SIM(Subscriber Identity Module)卡、 查看网络注册信息、 查看信号强度等, 根据检测结果进行反馈;

3) 发送英文短信并验证是否发送成功。

3.4 IC卡人员管理模块

IC卡与RFID读卡器YMC150-C11通过读卡与写卡操作实现对实验室人员信息的处理。模块内置蜂鸣器, 读写成功会启动蜂鸣器提示。当系统启动时, 实验室人员通过刷卡即可完成读卡操作, 然后将读卡信息保存至SD卡中； 写卡操作用于系统刚投入运行时或新增实验人员时进行登记, 实验室管理员通过串口屏的写卡界面输入写卡信息, 串口屏将数据发送至单片机处理进而实现写卡操作。设计时需要初始化读卡器读写内容及数据存储空间。同时需要根据系统需求设置读卡器工作模式, 本系统选择工作模式3自动读扇区数据块数据。并且对进入识别范围的卡片只识别一次, 离开检测范围后如再靠近则再读一次。写卡操作时对单片机接收的数据进行判定, 根据数据的长度及数据的前缀判断是否为写卡数据, 进而实现写卡操作。

3.5 人机交互模块

人机交互模块通过陶晶驰串口屏及上位机软件USART HMI完成串口屏操作界面设计, 实现人机交互。屏幕操作主界面如图5所示。串口屏配置的波特率必须与单片机通信的波特率一致。通过软件提供的文本控件和按钮控件设计了操作界面的主体结构, 包括系统主页、 管理员登录和修改密码界面等。系统开关、 写卡和写标签页面用于与单片机进行通信。

串口屏与单片机通过串口实现信息传输。实验室管理员通过串口屏进行写卡与写标签操作时, 串口屏将IC卡或标签信息发送给单片机, 单片机通过数据的前缀与长度进行判断, 执行写卡或写标签操作, 并将结果反馈到串口屏进行显示。管理员写标签界面图如图6所示。

图5 操作主界面图 图6 管理员写标签界面图 Fig.5 Operation main interface Fig.6 Administrator write label interface

4 系统性能测试

针对该系统的技术指标进行测试, 包括设备检测准确率、 可检测范围、 系统反应时间等参数。将不同标签号的实验设备与射频检测器在不同距离分别测试50次, 测试射频标签在不同距离下的检测准确率和平均反应时间, 检测准确率高于95%的距离即为射频标签检测半径。性能测试结果如表1所示。

表1 系统性能测试表

通过上述测试发现, 设备标签与射频检测器的距离较近时, 检测准确率非常高, 反应时间也很快； 随着距离的增大, 检测准确率有所下降, 反应时间也略微增大； 系统的最大检测距离可达2 m左右。当受到外界干扰时稳定性会降低, 最佳检测范围在1.5 m以内, 检测结果可满足精度要求。初步分析影响系统性能的原因包括： 系统所涉及的硬件单元较多, 相互之间存在干扰, 测试环境对测试结果也有一定程度的影响。一般情况下, 设备标签与射频检测器在垂直方向上的反应最为灵敏, 在其他方向上略有延迟。由于此系统为实验样机, 在实际应用中需要更加全面和多方位的测试与改善以满足实际要求。

5 结 语

实验室安全及信息管理系统的主要作用是进行人员信息记录和设备安全管理。笔者设计的实验室管理系统可实现实验设备出入检测与管理、 进出实验室人员信息管理等功能, 方便实验室管理者掌握实验室利用情况及实验设备的安全状态, 有效提高实验室利用率及管理效率。同时, 对设备进行监管, 简化借用设备流程, 提高工作效率。为实验室智能化管理、 信息化建设提供设备支撑与建设思路。