徐子涵,耿麗清,徐世緣,劉宇璽

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室,天津 300222)

0 引言

實驗室是各大高校教學(xué)與科研創(chuàng)新的主要場所。由于高校實驗室人流量大,學(xué)生安全意識淡薄,近年來在實驗室因操作不當(dāng)、實驗設(shè)施老舊、設(shè)備運(yùn)行超負(fù)荷、無色無味有毒氣體或由不可控的惡劣氣候?qū)е碌幕馂?zāi)、爆炸、中毒、觸電等危險事故頻發(fā)。為此各大高校都十分重視實驗室的安全與管理。而目前市場上沒有一款經(jīng)濟(jì),高效的產(chǎn)品可以監(jiān)測實驗室安全情況。為了能夠更加高效的管理實驗室,減輕實驗室工作人員的負(fù)擔(dān),提高實驗室的安全系數(shù),降低危險事故所造成的損失。本文設(shè)計并開發(fā)一款基于云平臺的智能實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、云平臺技術(shù)以及客戶端編程等相關(guān)技術(shù),實現(xiàn)對實驗室內(nèi)人員進(jìn)出、火災(zāi)情況、有毒氣體、煙霧和溫濕度等信息進(jìn)行實時監(jiān)測,同時將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上等功能。該系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)上傳至云平臺,實驗室負(fù)責(zé)人24 h可隨時查看客戶端了解實驗室當(dāng)前狀況。當(dāng)監(jiān)測到異常參數(shù)時,實驗室與微信小程序?qū)瑫r進(jìn)行報警。該系統(tǒng)能有效監(jiān)測實驗室內(nèi)部的安全隱患,并提醒實驗室內(nèi)部人員與負(fù)責(zé)人實驗室的危險程度,實驗室內(nèi)部人員與負(fù)責(zé)人可根據(jù)實際情況選擇針對性保護(hù)措施。從而可避免一些不必要的危險發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由實驗室終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和云平臺監(jiān)測中心組成。實驗室終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心,通過傳感器實時采集實驗室的溫度、濕度、有毒氣體、火焰和人員進(jìn)出情況等信息。云平臺監(jiān)測中心與終端采集系統(tǒng)建立連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制核心,STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)是由電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)在上電后單片機(jī)就可以正常復(fù)位與下載程序。在確保最小系統(tǒng)正確的基礎(chǔ)上,可合理添加功能或模塊使單片機(jī)具有實際功能。

2.2 溫濕度采集模塊

系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集溫度和濕度。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,其應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),包含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,可以和單片機(jī)直接相連。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點[1]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單總線方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。

2.3 煙霧采集與有毒氣體采集模塊

系統(tǒng)采用MQ系列傳感器對煙霧和有毒氣體進(jìn)行采集,分別使用MQ2與MQ135。MQ2是常用的氣體泄漏監(jiān)測裝置,適用于煙霧等氣體的探測。而MQ135則是常用的有毒氣體監(jiān)測裝置,具有代表性,價格低,使用壽命長,敏感度極佳,主要用于測量空氣中的硫化物、氮氧化物、氨氣、酒精、苯系蒸汽等。

MQ系列氣體傳感器都屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料,是表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)與某種氣體接觸時,會引起其表面導(dǎo)電率的變化。某種氣體的濃度越大,導(dǎo)電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號就越大[2]。

MQ系列傳感器常用電路有兩種:一種采用比較電路監(jiān)控,另一種為ADC電路檢測。本系統(tǒng)采用ADC電路檢測。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,公式換算,便可以得到具體的氣體濃度。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)使用OLED顯示屏作為顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。OLED顯示具有許多優(yōu)點,與傳統(tǒng)的LCD顯示不同,它可以自發(fā)光,所以不需要背光燈。這在降低功耗的同時也使OLED顯示屏比LCD顯示屏更薄,視角更廣,顯示效果更優(yōu)。OLED顯示屏還擁有非常高的對比度與極高的反應(yīng)速度。其內(nèi)部的驅(qū)動芯片為SSD1306,通信方式為IIC。

2.5 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)使用ESP8266作為Wi-Fi模塊。ESP8266是一個Wi-Fi透傳模塊,具有3種工作模式:STA(Station)模式、AP(Access Point)模式和 STA+AP模式[3]。STA+AP模式即可以在兩種模式下切換的狀態(tài)。本系統(tǒng)使用STA模式,在STA模式下該模塊可以連接到當(dāng)前環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)的終端(站點)。該模式對應(yīng)TCP傳輸協(xié)議中的客戶端。

2.6 火焰檢測模塊

系統(tǒng)采用火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行火焰檢測。物體燃燒時產(chǎn)生的火焰是由各種燃燒生成物、高溫氣體、碳?xì)湮镔|(zhì)等高溫固體微顆粒構(gòu)成?；鹧?zhèn)鞲衅魇峭ㄟ^紅外光電二極管檢測這燃燒產(chǎn)生的火焰發(fā)出紅外輻射,當(dāng)火焰大小發(fā)生變化時,火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗也會隨之發(fā)生變化。當(dāng)火焰越大,其導(dǎo)電率越大,輸出電阻就越小。其工作方式有兩種,可以通過DO口輸出數(shù)字信號1和0,也可以通過AO口輸出模擬信號。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號檢測。

2.7 紅外人員檢測模塊

系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行人員檢測,人體體溫一般為恒定的37 ℃,會發(fā)出特定波長為10 μm左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器則對此波長的紅外輻射十分敏感。由于只對特定波長的紅外輻射敏感,所以其抗干擾性較為良好。當(dāng)有人進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍時,其導(dǎo)電率發(fā)生變化,傳感器輸出高電平。當(dāng)人在其感應(yīng)范圍內(nèi)持續(xù)活動時,則會一直輸出高電平直至人離開其感應(yīng)范圍。只需檢測電平的跳變即可判讀出是否有人進(jìn)入該傳感器的檢測范圍。使用兩塊該傳感器,通過檢測電平跳變的時間差即可判斷人員的進(jìn)或出。

2.8 報警模塊

系統(tǒng)使用蜂鳴器作為發(fā)聲元件進(jìn)行報警。蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種類型。系統(tǒng)使用的是自帶震蕩源的有源蜂鳴器,只需要給其供電即就會工作。蜂鳴器采用直流電壓進(jìn)行供電,由于蜂鳴器的工作電流一般比較大,需采用三極管來放大電流從而驅(qū)動蜂鳴器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為單片機(jī)軟件設(shè)計、云平臺軟件設(shè)計和客戶端軟件設(shè)計3部分。

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件設(shè)計部分采用C語言進(jìn)行編程,編程軟件為Keil uVision5。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)來制定軟件系統(tǒng)方案,綜合考慮各個模塊的功能及使用目的,單片機(jī)軟件設(shè)計可分為主程序設(shè)計和子程序設(shè)計。在主程序中進(jìn)行一系列模塊工作的初始化,子程序部分采用模塊化編程的方法,各模塊分別為溫濕度采集模塊子程序、煙霧與有毒氣體采集模塊子程序、顯示模塊子程序、報警模塊子程序、火焰檢測模塊子程序、紅外人員檢測模塊子程和Wi-Fi模塊子程序。

主程序設(shè)計思路為首先對各個模塊進(jìn)行初始化,然后調(diào)用各個子程序中的函數(shù)來實現(xiàn)其功能。在接收到各模塊的數(shù)據(jù)后對各模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,判斷是否超過所設(shè)定的溫度、煙霧濃度、有毒氣體濃度的閾值和是否發(fā)生火災(zāi)。根據(jù)結(jié)果判斷是否進(jìn)行報警,最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 云平臺軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使用的平臺為ONE NET云平臺,選擇的接入?yún)f(xié)議為EDP協(xié)議。

ONE NET云平臺是由中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。在接入云平臺時首先需要創(chuàng)建產(chǎn)品,選擇接入?yún)f(xié)議。本系統(tǒng)選擇的增強(qiáng)設(shè)備協(xié)議(Enhanced Device Protocol,EDP),該協(xié)議為ONE NET云平臺根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特點專門定制的一個基于TCP的完全公開協(xié)議,然后創(chuàng)建設(shè)備,記錄設(shè)備ID等信息。在編寫Wi-Fi模塊子程序時,將需要用到這些信息與ONE NET云平臺建立TCP連接。實現(xiàn)連接后便可開始數(shù)據(jù)流的創(chuàng)建與數(shù)據(jù)點的上傳。完成后可以在ONE NET云平臺上看到上傳的數(shù)據(jù)點[4]。

數(shù)據(jù)通信(Wi-Fi模塊)采用的是ESP8266模塊。其工作時采用STA模式接收路由器信來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。再通過EDP協(xié)議與云服務(wù)器建立TCP連接,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。其工作流程如圖3所示。

圖3 Wi-Fi工作流程

3.3 客戶端軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用微信小程序作為客戶端,使用的開發(fā)平臺為微信開發(fā)者工具。微信與傳統(tǒng)App相比,在實現(xiàn)傳統(tǒng)App所有基本功能的同時還擁有無需安裝,多終端適配,開發(fā)周期短,試錯成本低等優(yōu)點。

用戶在使用客戶端時,需要保證手機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)網(wǎng)成功后客戶端會自動嘗試與服務(wù)器進(jìn)行連接,連接成功后將會彈窗提示“連接成功”。若連接失敗客戶端則會不斷嘗試與服務(wù)器進(jìn)行連接直到成功為止。客戶端界面能實時顯示實驗室的當(dāng)前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實驗室當(dāng)前人數(shù),還可以通過微信小程序遠(yuǎn)程操控報警,如圖4所示。當(dāng)實驗室中出現(xiàn)異常狀況時,微信小程序?qū)⑼綀缶嵝延脩簟?/p>

圖4 客戶端界面

4 系統(tǒng)性能測試

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件設(shè)計后,對整個系統(tǒng)功能進(jìn)行驗證。系統(tǒng)正常啟動后各個模塊可以正常工作。溫濕度采集模塊與煙霧和有毒氣體檢測模塊得到的數(shù)據(jù)成功在OLED屏上顯示,OLED屏顯示界面,如圖5所示。同時,溫濕度數(shù)據(jù)、氣體濃度數(shù)據(jù)與人員數(shù)據(jù)都會上傳至云服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)可以在ONE NET云平臺中查看。當(dāng)檢測到超出所設(shè)定的閾值的異常數(shù)據(jù)時,蜂鳴器將會發(fā)出警報,與此同時微信小程序進(jìn)行同步報警。在微信小程序中可看到前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實驗室當(dāng)前人數(shù)。

圖5 OLED屏界面

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器基于云平臺進(jìn)行設(shè)計,實現(xiàn)了對實驗室安全進(jìn)行自動監(jiān)測并自動報警的功能。通過多次實驗調(diào)試表明,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測、煙霧和有毒氣體監(jiān)測、火焰監(jiān)測、人員進(jìn)出情況統(tǒng)計等功能,且可以在PC端ONE NET云平臺和微信小程序中查看這些數(shù)據(jù)。基于云平臺的智能實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)基本滿足了設(shè)計要求,具有很強(qiáng)的實用性,不僅使實驗室管理更加高效,還可以有效控制危險事故所造成的損失,對于實驗室安全具有重要意義。