智慧實驗室安防系統(tǒng)研究設計

陳印超，葉名煬，陳嘉豪，王琪霖

（華南農(nóng)業(yè)大學，廣東廣州，510000）

0 引言

電子物理類實驗室是高校教學的重要組成部分，是新形勢下培養(yǎng)人才、設計創(chuàng)新產(chǎn)品和服務于社會現(xiàn)代化建設的主要場所[5]。近年來，隨著“雙一流”建設的推進，各大高校電子物理類實驗室的數(shù)量增加顯著，安全隱患呈現(xiàn)出多樣性、階段性、小群體性和難預測性的變化趨勢[1]。電子物理類實驗室極易因線路老化和使用者操作不當?shù)仍蛟斐呻娖髟O備燒壞既而引發(fā)諸如火災等一系列的安全事故，在當前形勢下僅靠傳統(tǒng)的人防難以實現(xiàn)對危險源的精準管控。同時，電子物理類實驗室的儀器設備大多比較昂貴，一旦因為外來人員偷盜將會造成較大的財產(chǎn)損失，同時也會妨礙相關(guān)教學工作的進行，所以對于該類實驗室的防盜也至關(guān)重要。

因此，亟待設計一款智能化的實驗室安防系統(tǒng)，能夠借助傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來對該類實驗室的各種安全細節(jié)，如溫濕度、電器設備燒焦氣體濃度以及用電情況等進行監(jiān)測并及時做出警報，以此來有效避免實驗室安全事故的發(fā)生?；谝陨犀F(xiàn)狀，利用HT32F52352單片機作為主控制器，設計出一款可實時監(jiān)控、方便操作、智能甄別預警的實驗室綜合安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)創(chuàng)建構(gòu)想

■ 1.1 創(chuàng)新性分析

本實驗室安防系統(tǒng)將防盜、安全集于一體，使用單片機的多個模塊將電子物理類實驗室的環(huán)境數(shù)據(jù)信息化、數(shù)字化，實現(xiàn)對實驗室安全的精準管控，保障昂貴儀器設備等物品的安全，以較低的成本解決了傳統(tǒng)實驗室管理模式成本高、管理復雜等的問題。系統(tǒng)的創(chuàng)新性包括以下三個方面：

第一，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到實驗室安防領域，設計了能應用于實驗室的智能控制系統(tǒng)，能有效監(jiān)測和控制實驗室的環(huán)境參數(shù)并通過WiFi傳輸至監(jiān)控中心，以供老師或管理員使用，實現(xiàn)人機信息交互和遠程管理，讓老師不需要守在實驗室也能通過電腦掌控實驗室的情況；

第二，對實驗室電器設備燒壞時散發(fā)出的燒焦氣體進行及時檢測和溫度檢測，在一定程度上可以提前輸送火災報警信息，可以有效規(guī)避實驗室火災事故的發(fā)生；

第三，本系統(tǒng)在滿足電子物理類實驗室日常需要的同時,也優(yōu)化用戶體驗,讓實驗人員能安全、高效地使用、管理實驗室,達到我國對高校實驗室建設與管理提出的要求和期望。

■ 1.2 可行性分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，無線傳輸技術(shù)越來越廣泛地利用在了智能化控制領域。同時，傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展，使得一些性能優(yōu)異的傳感器可以更加容易地獲得和使用。本系統(tǒng)采用的模塊均具有成本低、性價比高、易于安裝的特點,并采用32位高性能低功耗單片機HT32F52352作為主控制器；比較WiFi、藍牙、Zigbee三種傳輸方式，可知WiFi方式具有傳輸距離遠、傳輸速率快的優(yōu)勢[2]，符合本項目的需求；用Qt編寫上位機效率高、可拓展性好，為管理員提供最為直觀、簡單的操作。

2 設計原理

智慧實驗室安防系統(tǒng)是一個多功能模塊集成的項目，為了實現(xiàn)項目的功能，我們需要用到如下硬件模塊：人臉識別模塊、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、氣體傳感器、WiFi模塊、LCD顯示屏、舵機、繼電器以及主控制器HT32F52352單片機。

人臉識別模塊采集錄入人臉信息，并傳送邏輯信號給主控芯片，由此判斷門禁系統(tǒng)的開與關(guān)。溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、氣體傳感器分別檢測溫度濕度、人體的紅外輻射、電器設備燒焦氣體（一氧化碳、二氧化硫等）濃度，這些信號傳入主控芯片后，主控芯片進行邏輯分析，與管理員設定的閾值進行比較，當溫度或燒焦氣體濃度過高時觸發(fā)報警信號；當檢測到無人超過10min后，自動斷開繼電器模擬自動斷電。采集到的數(shù)據(jù)一方面實時顯示在屏幕上，一方面通過WiFi發(fā)送給上位機方便管理員查看。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件部分以HT32F52352單片機為主控，包括人臉識別模塊、人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器、WiFi模塊、舵機、LCD顯示屏以及外圍按鍵電路。結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 硬件部分結(jié)構(gòu)框圖

■ 3.1 HT32F52352控制中心

系統(tǒng)的核心控制電路，實時接收環(huán)境檢測的信號，運行融合算法，判斷當前情景下需要采取的操作，控制門禁與報警系統(tǒng)的工作狀態(tài)，與管理員之間通訊等。

■ 3.2 人體檢測電路

采用HC-SR501傳感器，HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊,采用LHI788探頭設計、敏度高、可靠性強,低電壓工作模式,廣泛應用于各類自動感應電器設備,尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。外接電路如圖2所示，VCC工作電壓+5V，DATA接單片機引腳。

圖2 硬件設計電路原理圖

■ 3.3 溫濕度檢測電路

采用DHT11模塊[3]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,并與一個高性能8位單片機相連接?？捎糜谂照{(diào)、除濕器、測試及檢測設備、消費品、汽車、自動控制、數(shù)據(jù)記錄器、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、其他相關(guān)濕度檢測控制。VCC工作電壓+3.3V，DATA接單片機引腳。

■ 3.4 煙霧檢測電路

采用MQ-135模塊。MQ氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在一氧化碳、硫化物等電器設備燒焦產(chǎn)生的氣體時，傳感器的電導率隨空氣中相應氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-135氣體傳感器對一氧化碳、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，是一款適合多種應用的低成本傳感器。VCC工作電壓+5V，AO接單片機引腳。

■ 3.5 無線通信電路

選用專為移動設備和物聯(lián)網(wǎng)應用而設計的ESP8266模塊，內(nèi)置超低功耗Tensilica處理器，CPU時鐘速度最高可達160MHz，標準數(shù)字外設接口，能適應各種操作環(huán)境，保持穩(wěn)定的性能。將WiFi模塊通過家庭的無線路由器接入網(wǎng)絡。

■ 3.6 人臉識別模塊

采用K210-AI模塊。K210是一款64位雙核帶硬件FPU、卷積加速器、FFT、Sha256的RISC-V CPU。該模塊支持MCU常規(guī)操作，集成了硬件加速的AI機器視覺，可對人臉特征進行學習，實現(xiàn)了對人臉信息的實時錄入，方便了門禁系統(tǒng)的管理。本作品使用此模塊，僅簡單調(diào)用人臉識別模型，不作其他控制用途，無多余的外圍電路。

■ 3.7 顯示電路

采用一塊3.2寸的TFT液晶觸摸屏，該屏幕采用XPT2046芯片作為觸摸控制芯片，XPT2046芯片控制4線電阻觸摸屏，HT32F52352與XPT2046采用SPI通訊獲取采集得的電壓，然后轉(zhuǎn)換成坐標，實現(xiàn)較為準確的觸控。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分設計采用基于Qt開發(fā)交互界面[4]的上位機軟件。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，它擁有較多的可自定義的C++類庫。當Qt使用QTcp Socket類的時候，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊；而當Qt使用帶UI界面的QWidget類的時候，則可以快速實現(xiàn)可視化圖形界面APP的編寫[6]。

Qt既可以用于開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，例如控制臺工具和服務器等。作為一種面向?qū)ο蟮目蚣?，Qt使用特殊的代碼生成擴展以及一些宏，同時容易擴展，并且允許真正地組件編程。

本系統(tǒng)中，HT32F52352單片機利用TCP協(xié)議通過路由器發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機，PC機socket接收并利用QT將接收的數(shù)據(jù)顯示。在PC機創(chuàng)建Qt上位機軟件，登錄系統(tǒng)軟件后將顯示圖3所示的主界面。主界面上顯示“設備控制”、“環(huán)境監(jiān)測”等功能按鍵。點擊“環(huán)境監(jiān)測”按鈕，可以實現(xiàn)對實驗室系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、電器設備燒焦氣體）的實時觀測；點擊“設備控制”按鈕，管理員就可以遠程操控下位機的控件，如開門、開燈等具體操作。

圖3 Qt上位機軟件界面

5 系統(tǒng)規(guī)劃圖及說明：

■ 5.1 門禁部分

如圖4所示，門禁系統(tǒng)初始化過后便開始進行工作，運行方式包括人臉識別和密碼登錄兩個選項，進入實驗室的人員可以選擇其中的任意一種方式來完成身份驗證，身份驗證通過則開鎖進入實驗室，身份驗證失敗則將重新返回登錄界面，等待下一次的操作。

圖4 門禁系統(tǒng)流程圖

■ 5.2 環(huán)境檢測及斷電檢測

如圖5所示，系統(tǒng)通過傳感器進行環(huán)境監(jiān)測和斷電檢測。當環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、氣體濃度等）超過閾值時，則觸發(fā)報警，并將信息通過無線WiFi傳至PC上位機，告知實驗室管理員；當人體紅外傳感器檢測到實驗室無人并且超過10分鐘時，則系統(tǒng)自行對儀器進行斷電，以此來規(guī)避不必要的麻煩。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)利用HT32F52352單片機作為主控制器，由人臉識別模塊、各類傳感器模塊（人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器）、WiFi模塊、LCD顯示屏、舵機、繼電器組成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對進入實驗室的人員進行人臉識別的核查、利用各類傳感器對實驗室內(nèi)部潛在的安全隱患（溫度、電器設備燒焦氣體等）進行識別排查、對實驗室無人情況時的自動斷電處理以及利用WiFi技術(shù)對采集到的各項數(shù)據(jù)進行發(fā)送和傳輸?shù)墓δ?，對于現(xiàn)代各大高校的電子物理類實驗室的安全隱患和防盜具有十分重大的應用推廣價值。