基于單片機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭嵐峰 李曉芳 章小寶

摘 ?要： 為加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全管理，文中開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Tmega16單片機(jī)為主控平臺(tái)，采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電控鎖，并通過(guò)雨滴傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯纫幌盗袀鞲衅鱽?lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用繼電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，提高實(shí)驗(yàn)室管理效率，且降低了安全隱患。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)室管理; 安全管理系統(tǒng); 無(wú)線網(wǎng)絡(luò); 電控鎖; 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè); 自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)： TN711?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0075?04

Design of laboratory safety management system based on single chip

microcomputer and wireless network

PENG Lanfeng1， LI Xiaofang2， ZHANG Xiaobao1

（1. School of Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330029， China;

2. School of Electronics and Information， Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330044， China）

Abstract： A laboratory safety management system based on the single chip microcomputer （SCM） and wireless network is developed and designed in this paper to strengthen laboratory safety management. In the system， the intelligent electronic lock is realized with the RFID technology and Tmega16 SCM as its main control platform. Real?time monitoring of the laboratory environment is realized by means of a series of sensors such as raindrop sensor， smoke sensor， and flame sensor. The relay is used for automatic control of the experimental equipments. The results of the experimental test show that the system can meet the design requirements， improve laboratory management efficiency， and reduce the potential safety hazard.

Keywords： laboratory management; safety management system; wireless network; electronic lock; real?time monitoring; automatic control

隨著高等學(xué)校教學(xué)創(chuàng)新的發(fā)展，推動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐能力成為廣受關(guān)注的問(wèn)題。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，不少高校創(chuàng)建了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。隨著開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備不斷升級(jí)，設(shè)備價(jià)值也不斷增大，實(shí)驗(yàn)室的防火、防水、防盜等安全問(wèn)題急需解決。與此同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)涉及到有毒、有害氣體等材料的使用。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)尤為重要[1?4]。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于單片機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以Tmega16單片機(jī)為主控平臺(tái)，通過(guò)RFID技術(shù)電控鎖、傳感器、設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全管理，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率，且降低了安全隱患。

1 ?安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)架構(gòu)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的控制平臺(tái)為Tmega16單片機(jī)，系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊，分別為智能門禁模塊、傳感器模塊以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制系統(tǒng)。門禁模塊用于管理進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的人員，學(xué)生通過(guò)提前預(yù)約實(shí)驗(yàn)室門禁權(quán)限刷卡進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室，而系統(tǒng)后臺(tái)也會(huì)記錄實(shí)驗(yàn)室的人員進(jìn)出情況。若不具備門禁權(quán)限，則無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。傳感器模塊包括煙霧傳感器、水滴傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鞯?，?duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境進(jìn)行全方位的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)ZigBee，再經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制模塊主要通過(guò)控制繼電器的閉合和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的通斷電，進(jìn)而管理設(shè)備的使用。學(xué)生預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)刷卡獲取設(shè)備使用權(quán)限，繼電器接通為設(shè)備通電并打開(kāi)設(shè)備，使用完設(shè)備后刷卡注銷。

圖1 ?實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室門禁管理系統(tǒng)是用戶進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的安全屏障，主要由單片機(jī)控制平臺(tái)、門鎖系統(tǒng)和讀卡模塊[5?8]組成。門鎖采用電控鎖，讀卡模塊采用RFID識(shí)別技術(shù)。RFID是一種非接觸式識(shí)別通信技術(shù)，其能穿透冰雪、污垢等惡劣環(huán)境讀取標(biāo)簽信息，且數(shù)據(jù)讀取速度極快，平均數(shù)據(jù)讀取時(shí)間約100 ms。因此，被廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、門禁控制等系統(tǒng)中。

系統(tǒng)中傳感器及設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)PC客戶端上實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本文采用MF RC522 RFID識(shí)別模塊，其模塊電路如圖3所示。其中，MODE1～MODE3為3種不同的模式，接高電平有效。當(dāng)MODE1接高電平，表示波特率為9 600 b/s;當(dāng)MODE2接高電平，表示電路為串口輸出模式;MODE3接高電平則是主動(dòng)模式。RC522芯片的TXD端與MSP430單片機(jī)的P3.7端口相連，其設(shè)置串口1的接收狀態(tài)，提高RFID的讀卡實(shí)時(shí)性。TX1，TX2與感應(yīng)天線CIRCLE相連，STATUS與單片機(jī)的P1.2連接，用于讀取RC522芯片的工作狀態(tài);單片機(jī)的P1.3與動(dòng)作電機(jī)相連，其通過(guò)繼電器控制電子鎖的動(dòng)作電機(jī)，用以完成開(kāi)門和鎖門等動(dòng)作。

水滴傳感器用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中管道的漏水情況，包括實(shí)驗(yàn)室上下水道以及實(shí)驗(yàn)室試劑存放地的漏水情況，其電路如圖4a）所示。正常情況下，電路中LED燈亮，輸出低電平。當(dāng)檢測(cè)到水滴時(shí)，LED燈熄滅，同時(shí)電路輸出高電平，觸發(fā)報(bào)警器[9?10]。

圖3 ?RFID電子鎖電路

圖4 ?傳感器模塊電路

圖4b）和圖4c）分別為煙霧傳感模塊電路與火焰?zhèn)鞲衅髂K電路。當(dāng)檢測(cè)到煙霧及有毒氣體時(shí)，電路輸出高電平，觸發(fā)報(bào)警器。對(duì)于火焰?zhèn)鞲衅鳎渫ㄟ^(guò)紅外接收管來(lái)探測(cè)火焰。當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)，紅外接收管的電阻變小，電路輸出低電壓。通過(guò)多種傳感器組成傳感器模塊，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室的整個(gè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 ?系統(tǒng)軟件程序流程圖

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，之后對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若有人刷門禁卡，判斷用戶是否擁有門禁權(quán)限，若有，則打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室門禁;反之，則不打開(kāi)。同時(shí)判斷是否有用戶刷卡獲取設(shè)備使用權(quán)限，通過(guò)相應(yīng)的繼電器來(lái)控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集到的數(shù)據(jù)判斷實(shí)驗(yàn)室是否處于安全狀態(tài)，若發(fā)生火災(zāi)、氣體或液體泄漏，則發(fā)出警報(bào)。

2 ?系統(tǒng)測(cè)試

圖6～圖8分別為設(shè)備控制模塊、門禁模塊和傳感器模塊的實(shí)物圖。

圖6 ?設(shè)備控制模塊實(shí)物圖

首先測(cè)試設(shè)備控制模塊，經(jīng)過(guò)刷卡獲取設(shè)備使用權(quán)限后，繼電器能夠吸合使設(shè)備通電啟動(dòng)。對(duì)于門禁模塊，在獲取門禁權(quán)限后刷卡能夠打開(kāi)門鎖;而在取消門禁權(quán)限后再次刷卡，則無(wú)法打開(kāi)門禁。對(duì)傳感器模塊進(jìn)行測(cè)試，首先在水滴傳感器上人為加上水滴，水滴傳感器指示燈滅，去除水滴后指示燈亮;將火焰靠近火焰?zhèn)鞲衅髦甘緹袅?，說(shuō)明能夠檢測(cè)出火焰;對(duì)于煙霧傳感器，制造煙霧置于煙霧傳感器表面，煙霧傳感器能夠輸出高電平驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。

圖7 ?門禁模塊實(shí)物圖

圖8 ?傳感器模塊實(shí)物圖

圖9為系統(tǒng)客戶端的監(jiān)控界面圖。界面左邊顯示了溫濕度傳感器、煙霧傳感器、化驗(yàn)傳感器、門磁信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);右邊顯示系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超過(guò)一定的閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。

圖9 ?客戶端監(jiān)測(cè)報(bào)警界面

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文基于單片機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，其以Tmega16單片機(jī)為主控平臺(tái)，通過(guò)RFID技術(shù)電控鎖、傳感器、設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全管理;并將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率，降低了安全隱患。

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