左富强 贾丹丹 李宏
（宁波大学信息科学与工程学院宁波315211）
摘要：本文介绍了一种基于无线的开放型实验室管理系统，主机采用S3C44B0X无线通信的方式与各从机进行通信，本系统可以实现对开放型实验室的智能化全天候管理，主要内容包括系统整体设计、硬件电路设计、操作系统移植及裁减、软件设计等。
关键词：嵌入式系统指纹识别射频通信无线控制开放型实验室管理
引言
随着各高校对学生实践创新能力培养的不断重视，学校需要充分发挥现有实验室的潜力，增加学生自主实验和开放实验的机会。然而，目前大多数实验室往往只能为学校教学任务提供配套的实验场所和环境，无法满足学生自主实验的需求。传统的实验室管理模式呈现出许多不足之处，如管理人员定时定岗，实验室定时定项目，学生统一进行实验等，这就无法满足开放型的需求。为了提高实验室的管理水平、实现开放管理，目前一些高校开始采用“ID+密码”或磁卡等方式进行实验室管理，前者需要使用者记忆密码、账号，这不仅增加了记忆负担，也容易被冒名顶替，后者由于磁卡的可借性造成管理的混乱，并且磁卡易损坏；也有高校采用控制机柜来控制实验设备供电，这种方式不但增加了实验室布线的难度，也不利于实验室的改建。
基于上述原因，本文提出了一种新型的开放实验室管理系统，该系统采用嵌入式技术，并结合生物学原理的指纹识别技术，对实验者进行身份识别，然后自动分配相应的实验台，系统的控制核心是ARM核心控制单元，它通过射频无线收发模块对实验台的电源进行通、断电控制。此系统能够实现验室的高智能、高效率的全天候开放，无线射频技术的采用，减少了布线的复杂度，利用指纹识别系统提高了实验室安全性，最终提高了管理效率。
一、系统整体设计方案
本系统包括硬件和软件两大部分，系统结构。
硬件系统包括ARM核心控制单元、指纹识别模块、射频无线收发模块和电源控制单元：ARM核心控制单元是整个系统的关键，负责管理和协调整个系统；指纹识别模块包括对指纹数据库的建立、指纹的采集和比对；射频无线收发模块是ARM核心控制单元与电源控制单元的通信桥梁；电源控制单元负责对指令响应和控制实验台通断电。
软件包括操作系统移植、ARM核心控制和电源控制单元的软件设计。
二、硬件设计
1.ARM核心控制单元设计
系统的微处理器采用Samsung公司的S3C44B0X处理器（ARM7）；SDRAM存储器采用Hynix公司的HY57V651620，容量为64MB；系统程序存储器采用SST公司的NOR FL ASH（SST39VF1601），容量为2MB；NAND FLASH采用Samsung公司的K9F1208U0B，容量为64MB，作为系统电子硬盘，用于存储大量指纹数据和学生信息。键盘电路采用以ZLG7290B为按键驱动芯片的输入设备，液晶选用了320？240彩色LCD模组。另外还包括蜂鸣器、LED指示灯等系统报警和运行指示器件，管理和控制指纹识别模块、实现学生信息管理与注册、通过射频无线收发模块控制实验台电源、与服务器通信等。
2.指纹识别模块
指纹识别技术是生物识别技术中最为成熟的一种，是生物特征识别技术中应用最广泛的技术，它利用指纹特征的唯一性和终身不变性对个人身份进行认证，具有极高的安全性和易用性，可以免去学生记忆密码或携带IC卡、磁卡等易损坏卡片。
本系统采用的模块通过对指纹图像进行采集和特征点提取并存储，然后进行比对；同时该模块带有的光学传感器具有极强的抗冲撞性和耐气候性，适合于频繁出入的门禁系统。另外它具有RS232接口，可以方便与S3C44B0X通信。
3.射频无线收发模块
为了能够实现双向数据传输，并考虑到开发成本及系统的复杂度，本系统采用了315MHz和433MHz两种射频收发模块，其中315MHz为上行频率、433MHz为下行频率，这样可以避免上下行的频率间串扰。该模块传输距离为视距100m，且每对模块包括PT2262和PT2272的编解码芯片，含有8位地址和4位数据，工作时只有当发射和接收模块的地址相同时才能够解码出4位的数据，这样就可以很好地解决一个控制中心如何能够实现对多个实验台进行管理了。
4.电源控制单元
该单元采用ATMEL公司的微处理器AT89C51，将S3C44B0X发送过来的指令进行解析，以及控制实验台的电源和实验数据接收及传递。由于实验台通常包括多种仪器和设备，需要采用大电流继电器来控制总电源开关。本系统选择了30A切换能力的T90型继电器，使用开关次数达到1000万次。除了上述功能，还包括过流保护和报警提示，过流保护是通过电流互感器来检测流过电源线电流，如果电流超过给定值则报警，过流时间大于10s，则将整个实验台电源关断，并将报警信号上传给S3C44B0X。
三、系统软件设计
本系统软件设计是对S3C44B0X和AT89C51的编程，其中S3C44B0X包括操作系统移植、裁减和应用程序编写。AT89C51的软件设计是对S3C44B0X发送的指令进行解析，并执行相应的操作。
1.嵌入式实时操作系统的选择和移植
目前实时嵌入式操作系统的种类繁多，大致上可以分为两大类：商用型和免费型，前者系统功能稳定、可靠，并有完善的技术支持和售后服务，建立应用开发较为容易，但价格昂贵，代表性的有美国WindRiver公司的VxWorks操作系统、Microsoft公司的WinCE操作系统；免费型可以节约成本，且便于开发，代表性的有uCLinux和uC/OS-Ⅱ等。由于uC/OS-Ⅱ系统结构简单，编程工具绝大部分是C语言编程，可以在大多数界面友好的编译器中编译生成目标代码，如Borland C、Keil、ADS1.2等工具，且其内核最小可以到几千字节，可以在多种体系结构的微处理器上移植，所以本系统选用的是uC/OS-Ⅱ操作系统。
从uC/OS-Ⅱ的软件体系结构中可以看到，如果要在S3C44B0X上使用uC/OS-Ⅱ，必须为其编写OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM三个文件，分别用于定义数据类型、定义堆栈单元及增长方向、定义开关中断的宏；任务堆栈初始化、系统钩子函数定义；定义高优先级任务调度、任务级任务切换、中断级任务切换及时钟中断处理等函数。
2.ARM核心控制单元软件设计
本单元软件设计主要是功能任务的实现，对学生指纹数据的采集、存储和比对；显示该生的基本信息以及实验次数和时间；最后显示自动分配好的实验台号码。通过建立以下6个系统任务来完成该单元的功能：
（1）系统启动任务：用于硬件初始化，建立其他功能任务和所需要的消息邮箱、信号量、事件标志组等，以及初始化所有用到的全局变量。
（2）键盘任务：用于读取查询当前按键值，并调用相应的函数，执行相应的操作，并更新显示。
（3）实时时钟任务：用于更新当前时间显示。
（4）蜂鸣器任务：用于对系统各种报警提示，用到了消息邮箱，任务一直循环等待邮箱消息，若有系统邮箱消息，则根据消息内容调用不同的蜂鸣声。
（5）指纹识别模块任务：循环等待是否有新指纹数据输入比对，将比对结果作为索引来查询海量存储器中是否有该生相关信息，找到后根据当前实验台使用情况按空闲实验台号从小到大顺序分配，并给无线收发模块任务发送邮箱消息。包括新学生注册登记、注册学生申请实验、记录出入时间和学生实验信息。
（6）射频无线收发模块任务：循环等待邮箱消息，根据内容将当前无线发射模块地址修改为对应实验台的无线模块接收地址，并输出相应指令后开启发射，判断实验台是否正常，若正常则显示分配实验台，否则重新分配直至没有空闲实验台，提示报警且不允许该生实验，若有无法查询的实验台也需要及时报警维修。为了能够实时掌握实验台电源开启状况以及是否过流，底层工作是否正常，主CPU会每隔一定的时间对电源控制单元进行轮询一次。
3.电源控制单元软件设计
该单元的主要功能是实现与主CPU的无线通信和对实验台电源的控制，另外还附带过流保护以及异常报警提示功能。本单元接收无线指令采用外部中断0，无线接收模块在数据正确译码后产生一个下降沿，触发外部中断0，从4位数据线将主机发送的指令读出，再根据当前指令执行不同的动作，外部中断1用于响应过流信号，可以实时对输出短路进行保护，避免人员伤亡和仪器设备损坏。
四、结束语
经过对目前大多数实验室管理方法的了解，以及不同于传统的开放型实验室管理方法的研究，本文提出了一种基于无线控制的开放实验室管理系统，打破了以往要由教师在实验室负责学生签到和记录。本系统利用生物识别技术对学生身份进行确认，并记录其出入实验室的时间，能够对实验台进行智能分配，故障自动报警以及实验台短路保护，为了减少数据线布线的麻烦和费用，主机到各个实验台采用了无线通信的方式，这样可以安全、高效地完成对开放型实验室管理。最后本系统还可以与因特网相连实现实验成绩网上共享，实验室使用情况上网以及实验台预订和查询等多种功能，可以更好地对开放型实验室进行管理。
参考文献
[1]Arnold Berger.嵌入式系统设计.吕骏译.北京：电子工业出版社，2002
[2]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发.北京：清华大学出版社，2002
[3]曾锐，徐朝军.开放实验室管理理念及实现.实验室研究与探索，2002，（3）：108～112
[4]丁晓玲，徐伟平，胡敏.网络化分布式国家重点实验室管理信息系统.实验技术与管理，2001，（2）：114～118.
[5]陈昭炎，李惠玲等.开放实验教学与管理模式的研究与实践.实验室研究与探索，2005，24（11）：107～109.
[6]田泽.嵌入式系统开发与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005
[7]Jean J Labrosse.MicroCOS-Ⅱ The Real-Time Kernel：Second Edition[M].Lawrence：CMP books，2002
[8]Nalini K Ratha，CH EN Shaoyun，Anil K Jain.Adaptive Floworientation-based Feature Extraction in Fingerprint Images[J].Pattern Recognition，1995，28（11）：1659～1663