呂海英 張亞偉 智少雷* 李歆

（1.天津普赫科技有限公司 天津 300380；2.天津華鴻芯科技有限公司 天津 300270；3.國能銷售集團(tuán)有限公司 北京 100010）

引言

實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控一般利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、安全監(jiān)測技術(shù)、自動控制技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室所需的設(shè)備進(jìn)行集成，旨在構(gòu)建一個具有完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備和能妥善處理實(shí)驗(yàn)室各種事件的安全智能監(jiān)測系統(tǒng)，用于提升實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境友好性及安全性[1]。傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。目前環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下[2-5]：

1）多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用。如紅外傳感器、聲音傳感器等，實(shí)現(xiàn)更加全面的環(huán)境監(jiān)測和控制。

2）數(shù)據(jù)分析和處理的深入研究。環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)更注重數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)的研究，采用更加高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)的監(jiān)測和控制精度。

3）互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的應(yīng)用。環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)將與互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)宿舍環(huán)境監(jiān)測和控制的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。

4）人工智能技術(shù)的應(yīng)用。環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)將采用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加智能化的環(huán)境監(jiān)測和控制，為用戶提供更加智能化的體驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要場所，常涉及到危險品和高壓電等作業(yè)環(huán)境。安裝實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)可以對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的危險因素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時預(yù)警和處理，保障實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員的安全；可以減少因人為操作不當(dāng)而造成的設(shè)備損壞和安全事故；可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的監(jiān)測和自動控制，可以節(jié)約水、電、氣等資源的消耗，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。本文基于單片機(jī)IAP15F設(shè)計了電力實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)。從實(shí)驗(yàn)室功能需求出發(fā)，對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、噪聲和磁場強(qiáng)度監(jiān)測、火災(zāi)防盜報警以及Wi-Fi通信等方面功能進(jìn)行了需求分析并確定了設(shè)計方案。系統(tǒng)包含電源模塊部分、OLED顯示部分、煙霧監(jiān)測模塊、噪聲檢測部分、獨(dú)立按鍵模塊、溫度濕度傳感器部分、空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊、電磁場強(qiáng)度監(jiān)測部分、紅外防盜模塊、負(fù)荷監(jiān)測部分、聲光報警模塊以及Wi-Fi通信模塊等。并在此基礎(chǔ)上將硬件功能模塊進(jìn)行整合，完成系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)的設(shè)計可以滿足實(shí)驗(yàn)室的安全需求，并具備可靠性、實(shí)用性和易操作性的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能需求分析及傳感器選型

對功能需求進(jìn)行分析是設(shè)計實(shí)驗(yàn)開發(fā)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)的前提條件，通過分析系統(tǒng)功能需求確定產(chǎn)品設(shè)計方案。

1）火災(zāi)監(jiān)測功能

火災(zāi)是實(shí)驗(yàn)室安全防范的重點(diǎn)之一。本監(jiān)測系統(tǒng)利用IAP15F單片機(jī)搭配外部ADC0831模塊進(jìn)行煙霧濃度的數(shù)據(jù)采集，煙霧傳感器輸出的電壓信號經(jīng)分壓電阻分壓后直接發(fā)送給IAP15F單片機(jī)外部高速ADC模塊，電路非常簡單。由于MQ-2傳感器輸出電壓范圍滿足單片機(jī)的需求，故無需搭配運(yùn)算放大電路。

2）噪聲監(jiān)測功能

電力實(shí)驗(yàn)室包含大量電力設(shè)備，免不了由于機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)出機(jī)械噪聲及電磁噪聲。實(shí)驗(yàn)室的噪聲水平應(yīng)在合理范圍內(nèi)，以免影響實(shí)驗(yàn)人員的工作安全和健康。本監(jiān)測系統(tǒng)由麥克風(fēng)采集環(huán)境聲音轉(zhuǎn)換為電信號通過運(yùn)算放大電路把信號放大到能被IAP15F的外部ADC模塊采集的范圍內(nèi)。然后通過程序把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3）電磁場強(qiáng)度監(jiān)測功能

電力實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備可能會產(chǎn)生電磁干擾，影響其他設(shè)備的性能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。故需要監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室中的電磁場強(qiáng)度，當(dāng)電磁干擾超過一定限值時實(shí)驗(yàn)人員需要采取防護(hù)措施。采用霍爾元件進(jìn)行磁場強(qiáng)度的檢測。由于霍爾元件輸出信號較弱，需要搭配運(yùn)算放大電路將信號放大到ADC模塊能處理的范圍，通過ADC轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

4）空氣質(zhì)量及溫濕度監(jiān)測功能

一些實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制環(huán)境溫濕度。電力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行溫濕度監(jiān)測可以獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、保證實(shí)驗(yàn)安全和設(shè)備壽命。本系統(tǒng)采用MQ135傳感器完成空氣質(zhì)量的監(jiān)測任務(wù)，搭配ADC模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，再通過單片機(jī)處理分析。采用DHT11傳感器用于溫濕度監(jiān)測，其濕度測量范圍（20～95）% RH，溫度測量范圍（0～+50 ）℃，量程范圍滿足環(huán)境需求。

5）負(fù)荷監(jiān)測功能

電力實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備功率往往很大，且負(fù)荷較多，因此耗電量較大，對于實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷的監(jiān)測也極為重要。通常情況下，大型實(shí)驗(yàn)器材同時滿負(fù)荷工作可能會產(chǎn)生過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而長時間的過載狀態(tài)可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞。本系統(tǒng)通過電流互感器得到負(fù)荷電流，在經(jīng)過光電耦合隔離，電阻分壓將電流信號轉(zhuǎn)化為（0～5）V的電壓信號，經(jīng) ADC模塊后傳入單片機(jī)，由此判斷實(shí)驗(yàn)室的負(fù)荷情況。

綜合上述需求分析及傳感器選型，確定系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2 電力實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

將監(jiān)測模塊的功能整合，要求各個模塊能夠流暢切換并正常監(jiān)測，能正常顯示各個模塊檢測到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)超過臨界值能夠報警，按鍵能正常切換實(shí)時顯示界面以及臨界值調(diào)整界面，并能更改各數(shù)據(jù)的臨界值。主程序流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能仿真及實(shí)物測試

在進(jìn)行實(shí)物連接之前用proteus繪制仿真圖，避免連接過程發(fā)現(xiàn)預(yù)定方案有問題或連接錯誤等問題，根據(jù)元器件使用手冊對元器件的各個引腳進(jìn)行線路連接繪制，組合在一起形成一個完整的系統(tǒng)仿真圖，系統(tǒng)硬件仿真如圖3所示。

圖3 硬件電路仿真系統(tǒng)

圖3 硬件電路仿真系統(tǒng)

本監(jiān)測系統(tǒng)中火災(zāi)報警功能理應(yīng)通過MQ-2傳感器模塊來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)煙霧傳感器模塊監(jiān)測測值大于報警閾值時，觀察系統(tǒng)能否及時發(fā)出報警提醒。將報警閾值設(shè)為50 ppm，測試結(jié)果如表1所示。

表1 火災(zāi)報警測試數(shù)據(jù)（單位：ppm）

本系統(tǒng)采用了多種傳感器來實(shí)現(xiàn)對溫濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、噪聲、電磁強(qiáng)度、負(fù)荷強(qiáng)度的監(jiān)測，并通過IAP15F單片機(jī)和nRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和上位機(jī)的實(shí)時顯示。當(dāng)某一項(xiàng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將自動報警。搭建測試系統(tǒng)如圖4所示，圖5、圖6及圖7為部分環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物測試

圖5 實(shí)驗(yàn)室溫濕度顯示結(jié)果

圖6 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

本設(shè)計基于單片機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室安全智能監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計與開發(fā)，建立Proteus仿真模型驗(yàn)證功能及設(shè)計的正確性，進(jìn)行了樣機(jī)功能測試驗(yàn)證設(shè)計的有效性。相比目前環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，本設(shè)計詳細(xì)分析了電力實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境監(jiān)測需求，開發(fā)了具有特定監(jiān)測功能（如電磁、噪聲及負(fù)荷）的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。由于測試條件有限，系統(tǒng)可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。后繼將針對傳感器的有效放置和現(xiàn)有控制系統(tǒng)的優(yōu)化開展進(jìn)一步的研究，最大限度提高監(jiān)測準(zhǔn)確性并降低設(shè)備的能源消耗。