寧一凡， 肖 可， 李 崢

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，235000,安徽省淮北市)

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力與科研能力的基地，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了勃勃活力.然而，近年來多發(fā)的實(shí)驗(yàn)室安全事故暴露出實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品傳統(tǒng)管理的弊端，尤其是化學(xué)危險(xiǎn)品實(shí)驗(yàn)室[1].化學(xué)危險(xiǎn)品，種類多而往往用的很少，儲(chǔ)存便成了一種問題.不僅如此，許多危險(xiǎn)化學(xué)品本身就存在有毒性、有害性、不穩(wěn)定性，在使用過程中存在著多多少少的風(fēng)險(xiǎn)性，因此對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品的安全管理應(yīng)當(dāng)值得關(guān)注.為降低學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中使用危險(xiǎn)化學(xué)品時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，提高高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品的監(jiān)管能力，秉持安全性、可實(shí)施性、易管理性的原則，本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F767為核心控制芯片，綜合利用了無線傳輸技術(shù)、身份識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的智能化、自動(dòng)化管理.

本文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)情況與相關(guān)模塊的功能實(shí)現(xiàn)，在參考各模塊資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選擇與改進(jìn)，并衡量其在STM32F767芯片上的兼容性與高效性，故作出如下設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)整體概述

本設(shè)計(jì)由硬件部分和軟件部分共同實(shí)現(xiàn)其功能.其中，硬件部分由STM32F767作為主控芯片，STC12C5A60S2芯片作為稱重部分的處理芯片，分析處理HX711壓力傳感器采集的危險(xiǎn)化學(xué)品的稱重?cái)?shù)據(jù)，還要通過電子便簽與識(shí)讀器讀取相關(guān)物品名稱及編號(hào)，并將處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)通過Zigbee無線模塊發(fā)送至STM32主控，并在OLED屏幕中顯示.而STM32主控也能通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)提交至服務(wù)器.在門禁系統(tǒng)中，身份識(shí)別部分包括RFID識(shí)別、指紋識(shí)別和人臉識(shí)別，身份識(shí)別部分與Web網(wǎng)頁授予的權(quán)限共同完成開鎖任務(wù).如果使用危險(xiǎn)化學(xué)品時(shí)操作不當(dāng)或者發(fā)生意外情況通過GSM模塊向管理員發(fā)送短信.其次，是軟件部分，Web網(wǎng)頁為管理員提供了可視化的監(jiān)測與管理手段，負(fù)責(zé)賬號(hào)以及身份識(shí)別權(quán)限的授予.通過本設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了管理員對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的智能化管理.其系統(tǒng)整體框圖和危險(xiǎn)化學(xué)品柜示意圖如圖1和圖2所示.

圖1 系統(tǒng)整體框圖 圖2 危險(xiǎn)化學(xué)品柜示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由主控系統(tǒng)、稱重模塊、登錄模塊等組成.主控系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，協(xié)調(diào)各模塊完成相應(yīng)功能；稱重模塊對(duì)安全柜內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行實(shí)施稱重；登錄系統(tǒng)主要應(yīng)用于門禁系統(tǒng)，對(duì)使用者進(jìn)行身份驗(yàn)證.

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控模塊是實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品管理系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)與各模塊進(jìn)行通信連接并協(xié)調(diào)各模塊的穩(wěn)定運(yùn)行，在本設(shè)計(jì)中采用STM32F767作為主控芯片，STM32F767集成了豐富的接口以及眾多模塊，易于開發(fā)，其原理圖如圖3所示.鑒于本設(shè)計(jì)所需模塊較多以及人臉識(shí)別的穩(wěn)定性，使用該芯片用作本系統(tǒng)的主控芯片是非常合適的.

圖3 STM32F767的原理圖

2.2 稱重模塊

對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的質(zhì)量監(jiān)測，對(duì)精度和抗干擾性有一定的要求，HX711壓力傳感器符合以上要求，可較好地應(yīng)用于本設(shè)計(jì)[2].使用時(shí)，通過安裝有HX711壓力傳感器的托盤進(jìn)行稱重，在托盤安裝RFID電子標(biāo)簽，通過識(shí)讀器識(shí)別危險(xiǎn)化學(xué)品名稱及編號(hào).每個(gè)托盤各連接一個(gè)STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，之后通過Zigbee塊將收集到的信息傳輸至主控，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取成功時(shí)就會(huì)在OLED屏上顯示對(duì)應(yīng)容器內(nèi)的危險(xiǎn)品名稱、編號(hào)及其質(zhì)量.既避免了人工觀測的不便，也避免了紙質(zhì)便簽由于長時(shí)間使用會(huì)損壞和腐蝕從而導(dǎo)致標(biāo)簽信息不清晰而造成危險(xiǎn)化學(xué)品的誤用.其電路連接圖如圖4所示，實(shí)物連接圖如圖5所示.

圖4 HX711電路連接圖

2.3 WIFI模塊

圖5 稱重實(shí)物連接圖

在本設(shè)計(jì)中，Web網(wǎng)頁與安全柜的通信主要由WIFI模塊實(shí)現(xiàn)，WIFI模塊采用ATK-ESP8266，可供其選擇的工作模式分別為STA/AP/STA+AP，為方便實(shí)際應(yīng)用，本設(shè)計(jì)采用可以雙向傳輸?shù)腟TA+AP模式，STA+AP模式STA+AP模式是STA和AP模式的共存模式,既可以連接到其它無線網(wǎng)絡(luò)也可以為其它設(shè)備提供熱點(diǎn)[3].利用此模式可以連接主控與Web網(wǎng)頁，負(fù)責(zé)發(fā)送化學(xué)品信息與使用情況至服務(wù)器的任務(wù)，其電路原理圖如圖6所示.

圖6 WIFI電路連接圖

2.4 GSM模塊

本設(shè)計(jì)GSM模塊選擇ATK-SIM900A，ATK-SIM900A具有發(fā)送短信、語音通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘4]，本設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了其發(fā)送短信功能.使用時(shí)首先在ATK-SIM900A模塊中預(yù)先設(shè)置管理人員的電話號(hào)碼，之后通過主控芯片STM32向ATK-SIM900A模塊發(fā)送相關(guān)的AT指令來控制相關(guān)短信發(fā)送操作.針對(duì)不同情況向管理員發(fā)送不同的信息.

2.5 登錄模塊

2.5.1 指紋識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)的指紋模塊采用貝爾賽克指紋模組[6-7]，具有高精度高集成度、低功耗、高速度等特點(diǎn).該指紋模組由指紋傳感器、指紋識(shí)別算法、指紋算法芯片組成，指紋傳感器主要負(fù)責(zé)采集指紋信息；指紋算法負(fù)責(zé)對(duì)采集到的信息進(jìn)行預(yù)處理和比對(duì)；算法芯片則是算法運(yùn)行的主要場所.在進(jìn)行手指檢測時(shí)，先讀取其狀態(tài)引腳狀態(tài)判斷手指是否按下,當(dāng)識(shí)別到手指按下信息時(shí),則通過指紋傳感器識(shí)別指紋信息并與模塊中的指紋信息進(jìn)行匹配.判斷匹配信息,如果與預(yù)留指紋信息一致,則可開啟門鎖.其指紋識(shí)別流程及軟件配置效果如圖7和圖8所示.

圖7 指紋識(shí)別流程圖 圖8 指紋采集效果圖

2.5.2 RFID模塊

本設(shè)計(jì)采用MFRC522作為射頻識(shí)別模塊.為了使用方便，學(xué)生可以使用校園卡IC卡用做RFID識(shí)別的認(rèn)證標(biāo)志，并將其校園卡作為開啟安全柜的第一把鑰匙.校園卡相當(dāng)于一次性用卡，每次使用需要管理員提前授權(quán)，未授權(quán)的校園卡無法開啟第一道門鎖.在進(jìn)行RFID識(shí)別過程時(shí)，主要完成兩次通信，即識(shí)讀器與學(xué)生校園卡的通信和識(shí)讀器與STM32主控芯片的通信.由于校園卡已經(jīng)攜帶學(xué)生本人信息，當(dāng)學(xué)生持校園卡進(jìn)入可識(shí)讀范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器自動(dòng)識(shí)別校園卡信息[8]，檢測該卡是否已經(jīng)登記過，是否在拿取時(shí)間段內(nèi)，判定成功能夠即可開啟第一道門鎖.

2.5.3 人臉識(shí)別模塊

人臉識(shí)別在本設(shè)計(jì)中對(duì)老師或?qū)W生的臉部特性信息進(jìn)行提取并識(shí)別[9].啟動(dòng)攝像頭后，在采集范圍內(nèi)檢測是否有人臉存在，如果檢測到人臉，則采集人臉信息，對(duì)其臉部進(jìn)行特征采集并作預(yù)處理，之后與數(shù)據(jù)庫中已存特征模板進(jìn)行匹配，信息吻合，箱門開啟.本設(shè)計(jì)使用OV7670攝像頭作為第二道門鎖的人臉識(shí)別模塊，OV7670攝像頭靈敏度高，移動(dòng)中的人物能夠拍攝清晰；其有效像素較高可以得到更清晰的圖像，提高了信息比對(duì)時(shí)的精確性[10].當(dāng)?shù)谝坏篱T鎖開啟之后，即可啟動(dòng)第二道門鎖的攝像頭進(jìn)行人臉識(shí)別.硬件原理圖如圖9所示.

圖9 OV7670攝像頭硬件原理圖

2.6 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)化學(xué)品本身可能帶有強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性或具有腐蝕性，因此安全柜的設(shè)計(jì)采用抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)腐蝕性的合金材料制成.作為化學(xué)危險(xiǎn)品存儲(chǔ)柜，需制定相應(yīng)的安全管理措施，因此，一旦本系統(tǒng)中出現(xiàn)異常情況時(shí)便會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)，警報(bào)系統(tǒng)通過STM32F103RCT6芯片與蜂鳴器、振動(dòng)傳感器、紅外傳感器與GSM模塊共同實(shí)現(xiàn).

3 軟件部分設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，管理員主要通過Web網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)對(duì)安全柜的遠(yuǎn)程管理以及賬號(hào)的分發(fā)；老師或者學(xué)生在獲得賬號(hào)后，需注冊(cè)其相關(guān)身份信息，之后可通過Web網(wǎng)頁向管理員發(fā)送使用申請(qǐng)，并注明所需危險(xiǎn)化學(xué)品名稱及使用量.在獲得權(quán)限之后即可進(jìn)入身份識(shí)別流程.其使用流程圖如圖10所示.

圖10 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.1 Web網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的網(wǎng)頁部分由Html5和JavaScript技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)[9].首先，使用Html技術(shù)完成頁面的布局，Html是Web開發(fā)的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶輸入信息的采集并將數(shù)據(jù)，使Web網(wǎng)頁可以實(shí)現(xiàn)一些基本簡單的交互效果.然后在Html中使用JavaScript語言完善網(wǎng)頁的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)交互功能.綜合利用Html和JavaScript技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理員的權(quán)限授予、使用情況查詢功能，并能將各物品質(zhì)量實(shí)時(shí)傳輸至Web網(wǎng)頁.由于JavaScript的跨平臺(tái)性，學(xué)生或者老師都可以對(duì)其正確執(zhí)行.

4 系統(tǒng)調(diào)試

(1)首先在網(wǎng)頁完成用戶的登錄，登錄系統(tǒng)后，老師直接申請(qǐng)所需使用的化學(xué)品，學(xué)生申請(qǐng)時(shí)需規(guī)定時(shí)間段，申請(qǐng)時(shí)還需注明所要使用的危險(xiǎn)化學(xué)品名稱及克數(shù)，在申請(qǐng)經(jīng)過管理員批準(zhǔn)后.為保證安全，用戶在登錄時(shí)需詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)室管理準(zhǔn)則，再申請(qǐng)所需藥品，其登錄主界面和申請(qǐng)界面分別如圖11和圖12所示.

圖11 身份登錄界面 圖12 申請(qǐng)相關(guān)化學(xué)品界面

圖13 OLED顯示界面

(2)在獲得批準(zhǔn)后，即可在安全柜拿取相關(guān)危險(xiǎn)化學(xué)品，當(dāng)老師或?qū)W生開啟門鎖時(shí)須按照實(shí)驗(yàn)室管理準(zhǔn)則，拿取時(shí)要小心合理，既不能拿錯(cuò)也不能多拿少拿，并注意完好放回，防止其本身攜帶的揮發(fā)性或者腐蝕性帶來的不良影響.操作完成后，顯示屏?xí)@示“柜門已關(guān)好”，此時(shí)，使用者方可離開，之后，柜內(nèi)各部分模塊重新啟動(dòng)，將使用情況發(fā)送至服務(wù)器，且將剩下的化學(xué)危險(xiǎn)品重新稱重并通過Zigbee傳輸數(shù)據(jù)至STM32主控在OLED屏顯示.顯示界面如圖13所示.

(3)如果出現(xiàn)意外情況或操作不當(dāng)，則會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng).警報(bào)系統(tǒng)主要針對(duì)以下幾個(gè)場景：身份識(shí)別錯(cuò)誤，拿取物品與所申請(qǐng)不符，拿取克數(shù)與所申請(qǐng)不符，柜門長時(shí)間處于開啟狀態(tài)皆會(huì)觸發(fā)警報(bào)裝置.此外，柜門設(shè)置紅外傳感器與振動(dòng)傳感器，當(dāng)檢測到安全柜附近長期檢測到人體，有人誤觸保險(xiǎn)柜或強(qiáng)行開啟安全柜時(shí)，也會(huì)觸發(fā)警報(bào)裝置.

通過多次測試，結(jié)果表明通過Web網(wǎng)頁給管理員管理帶來了極大便利，網(wǎng)頁數(shù)據(jù)顯示與柜內(nèi)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)一致，且出現(xiàn)上述情況時(shí)能及時(shí)觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)，手機(jī)能收到信息.

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品管理系統(tǒng)，綜合利用了身份識(shí)別，數(shù)據(jù)監(jiān)測，網(wǎng)站設(shè)計(jì)等技術(shù)，以STM32F767芯片作為主控，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、觀測與控制一體化的智能化系統(tǒng).經(jīng)過實(shí)際測試表明：該系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期效果,身份識(shí)別高效穩(wěn)定，HX711采集質(zhì)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn),無線傳輸穩(wěn)定，通過本設(shè)計(jì)可以有效地完成高校對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的智能化管理.