高校實驗室環(huán)境安全智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

張慧穎，陳玲玲，吳 博

（1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.新代科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在“互聯(lián)網+”、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等大形勢下，高校人才培養(yǎng)目標更傾向于素質教育，因而對大學生的實踐能力和創(chuàng)新工程能力的培養(yǎng)尤為重要。為了更好地踐行我院提出的“三三制”人才培養(yǎng)方案，我院實驗室建設采取開放式原則。高校實驗室是進行科研和教研的重要場所，也是學生進行實踐和實訓課程的主要基地，更是學生利用課余時間進行科技小組學習的重要場所[1-3]。因此，實驗室安全問題是實驗室工作中的重中之重，尤其是在實驗室開放后，實驗室環(huán)境、防火和防盜等問題就更為重要。如何能更好地管理實驗室，實時掌握實驗室內的環(huán)境安全信息，及時發(fā)現實驗室內的異常情況，并最大限度地降低異常情況帶來的損失，已成為我院實驗室管理工作中的重點。在此背景下，本文以智能監(jiān)測為出發(fā)點，采用STM32單片機為核心，設計出具有全智能/手動安全模式的雙模式實驗室內環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)融合多路傳感器采集技術，以實現對實驗室的安全智能監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設計思路

本系統(tǒng)整合6 種傳感器，實現自動檢測實驗室內環(huán)境的各項指標并可以對采集信息進行及時處理。系統(tǒng)正常工作時，通過檢測環(huán)境溫濕度、光照強度及氣體指標等和用戶的按鍵指令進行相應的動作執(zhí)行。由中央處理器進行裁決后，做出相應的控制響應。并且控制器可以根據環(huán)境指標數據，執(zhí)行緊急事故處理、危機救護等急救控制，充分滿足用戶的需要。該系統(tǒng)有以下兩點突出特點：

（1）設計人體紅外檢測電路、溫濕度檢測電路、LCD 顯示電路、可燃氣體檢測電路、光照強度檢測電路、火焰檢測電路、語音系統(tǒng)電路等，采用反饋觸發(fā)控制的方式對室內大燈、窗簾、房門等進行控制。同時在安防方面加入了防盜報警、火災報警等，發(fā)生警報時，系統(tǒng)會自動采取應急消防措施，并發(fā)送語音報警信息，實時性強。

（2）設計出全智能/手動安全模式一鍵切換的功能，全智能模式全程無須人為干預即可實現全部家電的觸發(fā)反饋控制（利用6 路傳感器采集環(huán)境量），同時兼顧部分特定或緊急條件下需要全程手動控制的場景，設計了手動安全模式，該模式保留安全型家居設施的自動控制（如火災預警、排風系統(tǒng)等）[4-8]，系統(tǒng)總體結構框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

系統(tǒng)通過檢測各項參數指標（如氣體濃度、光照強度、溫濕度、PM2.5）判斷實驗室內環(huán)境安全系數，監(jiān)測結果經由MCU 裁決后控制繼電器，使繼電器開關可以安全高效地控制執(zhí)行機構；同時傳給終端（固定終端或手持終端）實時顯示，對于超過安全指標的項目進行報警，在最大限度上減少安全事故的發(fā)生。

2 硬件電路設計

硬件電路以STM32F103C8T6 單片機作為主控制芯片，設計了報警電路、人體紅外檢測電路、溫濕度檢測電路、LCD 顯示電路、有害氣體檢測電路、光照強度檢測電路、火焰檢測電路、語音報警電路、按鍵電路和電源電路。其中單片機采用8 MHz 高精度晶振以獲得穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。

2.1 環(huán)境指標采集電路設計

對比幾種方案，實驗室內溫濕度檢測電路采用數字化模塊DHT11 實現。傳感器部分包括一個感濕元件和一個測溫器件，與單片機相連，抗干擾能力強，響應快[9]。設計時，DHT11 的DATA 引腳與STM32 的PB12 引腳相連，溫濕度檢測電路如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測電路

對于實驗室內液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等氣體的探測，采用可燃氣體探測器MQ-2實現。將MQ-2 的AO 端與單片機的PA2 引腳相連，采用單片機內部自帶的AD 模塊實現采集信號的模數轉換[10-11]，有害氣體檢測電路如圖3 所示。

圖3 有害氣體檢測電路

采用人體熱釋電傳感器實現有無人通過檢測。當檢測到有人經過時，發(fā)出信號給MCU，由MCU 控制房門（自動感應門）的開合，并經由軟件設計使開合速度符合人性化使用習慣?？刂埔_為PA12，人體紅外接口電路如圖4 所示。

圖4 人體紅外接口電路

采用專用PM2.5 傳感器實現室內PM2.5 檢測。檢測原理是光檢測到一定區(qū)域內導電物質的導電率以及光線在固形物中的折射率，轉化為模擬信號，再由STM32 中AD 轉換成數字量，最后經過固定的法則轉換為國際通用單位，進而在顯示終端進行顯示。傳感器與單片機系統(tǒng)連接的兩個引腳分別是控制LED 燈光的PA1 和控制PM2.5 濃度輸出端的PA0，PM2.5 檢測電路如圖5 所示[12]。

圖5 PM2.5 檢測電路

室內光照強度檢測采用光敏電阻作為檢測元件。光敏電阻一端與10 kΩ 分壓電阻相連，另一端接地，輸出端接單片機的PC10 引腳。采用紅外接收管完成火焰檢測電路設計，可以檢測波長在760 ～1100 nm 的光源。由于光電管接收到的火焰信號比較微弱，因此需要放大轉換后送入單片機完成后續(xù)信號處理，光照強度和火焰檢測電路如圖6 所示[13]。

圖6 光照強度和火焰檢測電路

2.2 控制機構電路設計

設置STM32 的IO 口的高低電平，可以使電路對應的三極管導通或截止，以此控制繼電器線圈是否通電。控制對象分別為空調、房門、窗簾、空氣凈化器。設計中，水泵采用12 V 直流進行供電。當發(fā)生火警時，ARM 控制該繼電器吸合，水泵電源接通，此時會噴水將火熄滅，實現滅火，并配有蜂鳴器報警電路，繼電器控制電路如圖7 所示。

為了便于后續(xù)擴展，本電路板還加入了電源擴展接口，以便各個模塊之間的電源相互連接。

圖7 繼電器控制電路

2.3 窗簾電機驅動電路設計

本系統(tǒng)可根據光照強度實現對窗簾的控制。通過STM32 驅動電機，電機控制齒輪，拉動鏈條從而達到控制窗簾開合的目的。采用L298N 高功率驅動板完成電機的驅動，L298N 可以1 次驅動兩個直流電機或一個步進電機。L298N 芯片輸出信號經由二極管傳遞給電機，即可由程序控制電機運行。窗簾電機驅動電路如圖8 所示。

圖8 窗簾電機驅動電路

2.4 語音電路設計

采用JQ8400 語音系統(tǒng)，語音建模儲存至Flash，用串口通信輸入16 進制代碼操作語音指令，達到人性化控制的目的。其與STM32 相連的分別是RX、TX和BUSY 引腳，其中RX、TX 引腳用于語音模塊的通信，BUSY 引腳用于檢測忙信號，芯片SPK+和SPK-分別接擴音器的正負極，JQ8400 語音電路原理如圖9所示。

圖9 JQ8400 語音電路原理

2.5 其他電路設計

系統(tǒng)采用串行接口、16 位的真彩TFT 彩色液晶屏。用戶可以根據自己實際的需要進行設置?？刂埔_用四線控制，分別是SCK（PA5），SDA（PA7），AO（PC15）、RST（PC14），TFT 串口屏接口原理如圖10 所示。

系統(tǒng)設有4 個按鍵，分別是KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，依次連接STM32 的B1、B10、B11、C13，控制智能家居的運行狀態(tài)。KEY1 控制報警閾值切換，KEY2 控制閾值增加，KEY3 控制閾值減小，KEY0 控制中英文語音模式切換。

圖10 TFT 串口屏接口原理

系統(tǒng)采用5 V 供電，可以由移動電源或者由電池組經過2 A 的升壓模塊提供；3.3 V 供電，采用AMS1117-3.3 實現。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用C 語言進行程序編寫，采用模塊化思想，便于后續(xù)程序移植。其中STM32 為核心，子程序包括可燃氣體檢測、人體紅外檢測、光照強度檢測、溫濕度檢測、火焰檢測、初始化子程序、中斷子程序、定時器子程序、顯示和按鍵子程序、語音播報子程序等。系統(tǒng)初始化后，首先對環(huán)境的各項指標進行采集并及時處理。如果室內有超標現象，則由STM32 裁決后，做出相應的控制響應，主程序流程如圖11 所示。

語音系統(tǒng)程序設計主要是利用USB 口拷入特定語音，支持FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)。通過UART 串口指令或一線串口指令即可完成播放指定的語音，中英文語音播報內容設計如圖12 所示。

圖11 主程序流程

4 實驗測量結果

系統(tǒng)模型采用8 節(jié)（板子背部有4 節(jié)）AA 堿性電池或5 V 標準電壓進行供電，使用電池時其驅動電流尤為重要，整個系統(tǒng)運行過程中預計工作時驅動電流650～850 mA（繼電器驅動需約200 mA，屏幕驅動需約90 mA，6 路傳感器驅動共需約210 mA，語音系統(tǒng)3 W 喇叭驅動需約200 mA，其他功耗約50 mA），4 節(jié)干電池兩兩并聯(lián)經過USB 升壓模塊進行升壓，升壓后驅動電壓5.33 V，驅動電流約1100 mA，工作時待機電流為260 mA，電源系統(tǒng)符合要求。經過對硬件電路的制作和反復調試，然后將編譯好的程序下載到單片機進行測試。此時，環(huán)境溫度，濕度的實際值已由其他儀器獲取，氣體濃度、PM2.5 等參數經過三個同類傳感器和同樣精度的A/D（12 位）取均值作為實際值，與測量值比對。另外還要測試整個系統(tǒng)的反饋控制情況，即指定環(huán)境指標高于或低于閾值時，控制面板的響應情況及語音提示系統(tǒng)的精確程度。最后需要測試系統(tǒng)較長時間運行是否穩(wěn)定。智能檢測系統(tǒng)實物如圖13 所示。

以下是采用環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)對我院實驗室檢測所得出的測量結果及實驗結果。

圖12 中英文語音播報內容設計

圖13 智能檢測系統(tǒng)實物圖

測試時間：2019 年6 月1 日星期六中午12:30

測試地點：學校第三教學樓420 實驗室

溫度測試：由水銀溫度計測出與實際值（智能監(jiān)測系統(tǒng)結果）對比

濕度測試：由干泡溫度計和濕泡溫度計測出與實際值對比

PM2.5 測試：用激光式PM2.5 模塊多次測試取平均值

氣體濃度測試：用多個MQ-2 模塊多次測量取平均值

各項環(huán)境指標測量結果見表1。

采用智能監(jiān)測系統(tǒng)開展的模擬特定場景響應實驗統(tǒng)計見表2。

表1 各項環(huán)境指標測量結果統(tǒng)計表

從多次測量結果可以看出，實際值與測量結果的誤差在±2%范圍內，基本滿足本次設計的精度要求。在傳感器滿足精度要求的基礎上進行了系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的測試實驗。本設計模擬了幾個常見的實驗室環(huán)境場景，通過測試，系統(tǒng)反應精準快速，達到設計要求。

表2 模擬特定場景響應實驗統(tǒng)計表

5 結語

為了給學生營造一個更好的實驗環(huán)境，有效配合實驗室管理人員完成實驗室的日常管理工作，設計一款基于STM32 的實驗室環(huán)境安全智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103C8T6 為核心控制器，融合多傳感器技術實現人體紅外檢測、溫濕度檢測、火焰探測、可燃氣體檢測和光照強度檢測等環(huán)境信息的實時探測，當檢測到數值超標時，系統(tǒng)及時驅動執(zhí)行機構并報警，防患于未然。經過現場測試，系統(tǒng)各項功能工作正常，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、反應速度快、誤差小、實時性好，基本達到預期目的，具有較強的實用價值。