張玲 楊仁桓

摘要：針對高校實驗室的安防需求，需要能夠及時消除安全隱患，最大限度減少實驗室安全事故，保障校園安全、生命安全和財產(chǎn)安全。文章設(shè)計了一套基于STM32單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)實驗室智能安防系統(tǒng)。該安防系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控芯片，各傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳至機(jī)智云平臺，實時監(jiān)測實驗室的溫濕度、非法闖入、火情、煙霧等情況，對環(huán)境實施精準(zhǔn)監(jiān)控。同時，該系統(tǒng)可滿足人機(jī)交互，使用者能夠下發(fā)相應(yīng)的指令，對相關(guān)下位機(jī)模塊進(jìn)行控制，使得系統(tǒng)更加智能化，能有效降低實驗室的安全風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：實驗室；STM32；安防系統(tǒng)；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0060-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著高等教育的快速發(fā)展，越來越多的院校相繼建設(shè)專業(yè)實驗室。然而，相比于硬件的大力投入，管理方面仍然存在不足。部分實驗室的管理還不夠完善，實驗室安全防范未受到足夠的重視。尤其是近幾年來國內(nèi)發(fā)生的幾起嚴(yán)重的實驗室事故，給單位和個人造成了巨大的損失，為院校的實驗室安防建設(shè)敲響了警鐘。實驗室內(nèi)一般具有較多的操作設(shè)備，必須嚴(yán)格遵守電氣作業(yè)操作規(guī)程。電路、電線、開關(guān)、插座的安全要求較高，須滿足儀器設(shè)備的功率需求。疏忽操作容易導(dǎo)致火災(zāi)。實驗室的各類電子精密設(shè)備和儀器價格昂貴，對環(huán)境溫濕度要求也較高。實驗室具有空間較大，實驗儀器和實驗平臺較為分散的特點，實驗人員進(jìn)行實驗操作的時間具有一定的隨機(jī)性。

這些不確定的因素給實驗室環(huán)境監(jiān)測帶來了一定的挑戰(zhàn)。針對實驗室的這些特點，本文設(shè)計了一款基于STM32單片機(jī)的實驗室智能安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用各種類型的傳感器模塊采集環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。通過手機(jī)端和OLED顯示屏端載體，系統(tǒng)可以直觀地顯示監(jiān)測結(jié)果。此外，系統(tǒng)還具備人機(jī)交互功能，可以下發(fā)相應(yīng)的指令，控制相關(guān)下位機(jī)模塊，從而消除安全隱患，提升實驗室管理的安全性。該系統(tǒng)具有一定的推廣價值，能夠在實驗室安全管理方面發(fā)揮重要作用。

1 總體設(shè)計

基于STM32單片機(jī)構(gòu)建實驗室智能安防系統(tǒng)，系統(tǒng)分為感知層、控制層、傳輸層、應(yīng)用層四層，系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

感知層采用多點檢測的方式，以提高環(huán)境采集的準(zhǔn)確性。該層由多源傳感器組成，用于采集實驗室環(huán)境信息，包括溫度、濕度、人體紅外、火焰、煙霧等數(shù)據(jù)。

控制層由單片機(jī)、電風(fēng)扇、排氣扇、燃?xì)忾y及蜂鳴器等組成，負(fù)責(zé)動作執(zhí)行。使用者能根據(jù)當(dāng)前溫度濕度環(huán)境、人體紅外、火焰、煙霧數(shù)據(jù)情況判斷當(dāng)前實驗室的風(fēng)險情況，并下發(fā)相關(guān)的控制指令?？刂茖幽軌?qū)κ覂?nèi)空氣的溫度、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化處理，對闖入情況進(jìn)行告警處理。傳輸層通過構(gòu)建Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過Wi-Fi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層通過機(jī)智云App實現(xiàn)人機(jī)交互功能，主要用于接收用戶指令，并下發(fā)相關(guān)控制。用戶可以在移動端實時查看各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，同時OLED顯示屏可顯示當(dāng)前系統(tǒng)和實驗室環(huán)境的狀態(tài)。

2 功能設(shè)計

實驗室智能安防系統(tǒng)利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段對實驗室空間進(jìn)行智能化監(jiān)測和控制，主要包括溫濕度檢測、安防檢測、火災(zāi)檢測、煙霧檢測4個部分，能有效提高安全性、可靠性和實用性。系統(tǒng)模塊劃分為三部分：一是監(jiān)控模塊。將各傳感器分別安裝在實驗室各空間內(nèi)，在OLED顯示屏上實時顯示當(dāng)前的溫濕度、是否監(jiān)測到非法闖入、當(dāng)前環(huán)境是否出現(xiàn)火情和煙霧。二是防護(hù)模塊。采集的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳至機(jī)智云云平臺，在手機(jī)端實時查看各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關(guān)的控制指令至相關(guān)下機(jī)位。三是控制模塊。當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前溫濕度異常時，可以遠(yuǎn)程打開電風(fēng)扇；當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前有非法闖入時，可以遠(yuǎn)程打開蜂鳴器報警；當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前環(huán)境存在火焰時，可以遠(yuǎn)程關(guān)閉燃?xì)忾y；當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前環(huán)境存在煙霧時，可以遠(yuǎn)程打開排氣扇。功能設(shè)計如圖2所示。

3 硬件模塊設(shè)計

本設(shè)計的硬件電路由STM32單片機(jī)模塊、溫濕度傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、煙霧傳感器模塊、OLED顯示屏、Wi-Fi模塊、舵機(jī)模塊、蜂鳴器模塊、模擬電機(jī)模塊等組成。

3.1 STM32單片機(jī)模塊

STM32單片機(jī)模塊選用型號STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，既能直接使用寄存器進(jìn)行編程，也可根據(jù)官方庫文件進(jìn)行編程。程序存儲器和RAM容量大小分別為64KB和20KB，并擁有豐富的接口資源，包括32個通用I/O口，7個定時器，系統(tǒng)時鐘最高可以達(dá)到72MHz。

3.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊選用型號DHT11，DHT11內(nèi)部已有一個校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出器，數(shù)據(jù)引腳可通過單總線協(xié)議直接將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)。模塊實現(xiàn)環(huán)境的濕度溫度監(jiān)控作用，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片。在使用該模塊時，電源正負(fù)極要對應(yīng)連接單片機(jī)的電源與地，數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的PB12引腳相連，數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的串口連接時需上拉一個5K左右的電阻。

3.3 人體紅外傳感器模塊

人體紅外傳感器模塊選用型號HC-SR501，HC-SR501是一款采用紅外線技術(shù)的傳感器。當(dāng)模塊檢測到紅外信號后，數(shù)據(jù)引腳輸出一個高電平。模塊的電源正負(fù)極與單片機(jī)的電源正負(fù)極相連接，數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的PB13引腳相連接，兩者通過串口實現(xiàn)通信。

3.4 火焰?zhèn)鞲衅髂K

火焰?zhèn)鞲衅髂K通過檢測火焰的波長和光譜識別當(dāng)前環(huán)境是否出現(xiàn)火情，所在環(huán)境的火焰波長長度超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，數(shù)據(jù)引腳輸出一個低電平，反之輸出一個高電平。模塊的正負(fù)極與單片機(jī)的電源與電源地相連接，數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的PA6引腳相連進(jìn)行串口通信，實現(xiàn)模塊與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.5 煙霧傳感器模塊

煙霧傳感器模塊選用型號MQ-2，通過煙霧與可燃?xì)怏w二氧化錫的接觸改變材料的電阻特性從而影響輸出的電壓。單片機(jī)以輸出的電壓值作為依據(jù)，以判定是否存在有可燃?xì)怏w或煙霧。該模塊與單片機(jī)的電源相連接，對模塊進(jìn)行供電，以保證正常工作，模塊的數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的PB15連接，利用串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.6 OLED顯示屏

系統(tǒng)選用0.96寸的OLED顯示屏，采用IIC協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信。該模塊有4個引腳，分別是VCC、GND、SCL、SDA，前兩個進(jìn)行供電，后兩個分別是時鐘線和數(shù)據(jù)線，使用時將顯示屏電源線與單片機(jī)的電源相連接，SDA引腳接單片機(jī)的PB10引腳，SCL引腳接單片機(jī)的PB11引腳。

3.7 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用型號ESP8266-01S，通過選用不同的聯(lián)網(wǎng)方式將設(shè)備接入至局域網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)，采用USART串口與單片機(jī)進(jìn)行通信。在使用時，除進(jìn)行正常供電外，還須給Wi-Fi模塊的EN引腳一個高電平，Wi-Fi模塊的TXD引腳與單片機(jī)的PA3引腳（USART1的RXD）相連，Wi-Fi模塊的RXD引腳與單片機(jī)的PA2引腳（USART1的TXD） 相連。

3.8 舵機(jī)模塊

燃?xì)忾y的控制部分選用舵機(jī)模塊進(jìn)行模擬，通過控制舵機(jī)力矩的轉(zhuǎn)動模擬燃?xì)忾y的開與關(guān)。舵機(jī)模塊選用型號SG90，SG90有三根導(dǎo)線，一根導(dǎo)線負(fù)責(zé)PWM波信號的輸入，另外兩根分別接電源和地，舵機(jī)的數(shù)據(jù)引腳接單片機(jī)的PB6引腳（TIM4的輸出通道1） 。

3.9 蜂鳴器模塊

蜂鳴器是一款具備一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，蜂鳴器導(dǎo)通電后會導(dǎo)致其內(nèi)部的膜片震動然后發(fā)出蜂鳴聲。蜂鳴器的電源端與單片機(jī)的電源相連接，蜂鳴器的地端與單片機(jī)的PC14引腳相接，當(dāng)單片機(jī)的PC14引腳輸出一個低電平蜂鳴器即可發(fā)出蜂鳴聲。

3.10模擬電機(jī)模塊

電風(fēng)扇和排氣扇選用型號L9110，L9110有VCC、GND、INA、INB四個引腳。通過向INA和INB兩個引腳輸入相對應(yīng)的PWM波轉(zhuǎn)動風(fēng)扇，INA輸入高電平模擬電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，INB輸入高電平模擬電機(jī)則反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度由輸入PWM波的占空比決定。電風(fēng)扇模塊的INA與單片機(jī)的P8引腳（TIM4的通道3） 相接，INB引腳與單片機(jī)的PB9引腳（TIM4的通道4） 相接。排氣扇模塊的INA與單片機(jī)的地端相接，INB與單片機(jī)的PB7引腳（TIM4的通道2） 相接。

4 軟件設(shè)計

機(jī)智云是供物聯(lián)網(wǎng)與硬件開發(fā)者使用的一款云平臺，開發(fā)者可根據(jù)機(jī)智云平臺提供的協(xié)議與設(shè)備端的模組系統(tǒng)GAgent對接，硬件可快速接入物聯(lián)網(wǎng)，并能與大多數(shù)的Wi-Fi模塊和移動網(wǎng)絡(luò)模塊兼容，通過平臺提供的SDK可快速實現(xiàn)App的開發(fā)。系統(tǒng)軟件通過Wi-Fi模塊ESP8266-01s實現(xiàn)把各傳感器檢測的數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺上位機(jī)以及把相關(guān)的控制指令下發(fā)至下位機(jī)。軟件界面如圖3所示。

5 模塊間的通信設(shè)計

單片機(jī)與各模塊之間的通信主要采用IIC和USART通信總線。具體通信方式如下：

OLED顯示屏與單片機(jī)的通信方式為IIC。IIC是一種半雙工串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，適用于主控制器和從器件間的通信。它由兩條總線線路組成：SDA串行數(shù)據(jù)線和SCL串行時鐘線。各個器件之間可以相互通信，也可根據(jù)需求設(shè)置主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)可自主設(shè)置為主機(jī)發(fā)送器或接收器，通信時主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)給出應(yīng)答。IIC總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)SCL信號為低電平時，SDA的狀態(tài)隨之發(fā)生改變。

Wi-Fi模塊與單片機(jī)的通信方式為USART。USART是一種通信雙方可同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的串行收發(fā)器。它擁有高精度的波特率發(fā)生器，不須占用定時器的資源。USART的收發(fā)模塊分為接收器、時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器三大模塊，共同作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。USART的串口信號線包括RXD（接收數(shù)據(jù)）和TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）兩種。

6 實驗結(jié)果

根據(jù)各傳感器模塊的工作特點，模擬通過改變環(huán)境參數(shù)，觀察各傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)能否隨著相對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)的變化而變化，以檢測傳感器模塊是否正常工作。對系統(tǒng)進(jìn)行整體實際實驗室環(huán)境的測試，檢測出不同環(huán)境情況下的參數(shù)顯示，實時發(fā)送指令和控制相應(yīng)下位機(jī)的情況，以驗證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

6.1 溫濕度傳感器測試

通過吹氣、打火機(jī)加熱、吹風(fēng)機(jī)加熱三種不同方式模擬環(huán)境的升溫，每一種方式提升的溫濕度的幅度具有一定的差異，經(jīng)實驗，溫度傳感器所采集的溫濕度值能隨著環(huán)境溫濕度的變化而變化，說明溫濕度傳感器模塊可正常工作。溫濕度數(shù)值對比如表1所示。

6.2 人體紅外傳感器測試

通過環(huán)境有人和模擬無人實施人體紅外傳感器的檢測。根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，人體紅外傳感器可以正確檢測當(dāng)前環(huán)境是否有人，說明人體紅外傳感器模塊可正常工作。人體紅外參數(shù)對比如表2所示。

6.3 火焰?zhèn)鞲衅鳒y試

通過環(huán)境中有火焰和無火焰模擬火焰?zhèn)鞲衅鳈z測，根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，火焰?zhèn)鞲衅骺梢哉_檢測當(dāng)前環(huán)境中是否有火焰的出現(xiàn)，說明火焰?zhèn)鞲衅髂K可正常工作?；鹧鎱?shù)對比如表3所示。

6.4 煙霧傳感器測試

通過環(huán)境中有煙霧和無煙霧模擬火焰?zhèn)鞲衅鳈z測，根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，煙霧傳感器可以正確監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境中是否有煙霧的出現(xiàn)，說明煙霧傳感器可正常工作。煙霧參數(shù)對比如表4所示。

6.5 系統(tǒng)整體測試

將系統(tǒng)實物板放入實訓(xùn)室并上電，一臺手機(jī)打開數(shù)據(jù)熱點，系統(tǒng)實物板連通熱點后，另一臺手機(jī)打開機(jī)智云App。給系統(tǒng)檢測模塊制造相關(guān)的模擬環(huán)境，傳感器采集的數(shù)據(jù)在OLED 屏幕上正確顯示，采集的數(shù)據(jù)可成功傳輸至機(jī)智云，在機(jī)智云App上依次點擊打開和關(guān)閉電風(fēng)扇、燃?xì)忾y、蜂鳴器、排氣扇的按鈕，相對應(yīng)的控制模塊都可以實現(xiàn)。實物圖正面如圖4所示，火焰靠近火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)顯示如圖5所示。

本系統(tǒng)設(shè)計也存在一定的不足，如各傳感器采集的數(shù)據(jù)具有一定的誤差，感應(yīng)的距離也存在一定的限制。溫濕度傳感器采集的溫度的誤差在2℃左右，濕度的誤差在6%左右。人體紅外傳感器的精準(zhǔn)感應(yīng)范圍為3m，火焰?zhèn)鞲衅骶珳?zhǔn)感應(yīng)范圍為45cm左右，超出范圍則存在些許誤差。煙霧傳感器可檢測打火機(jī)中的氣體以及紙張燃燒的氣體，但反應(yīng)時間略長。

7 結(jié)束語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一款基于STM32F103C8T6的實驗室智能安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用多點檢測的方式判斷實驗室各區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，提高了環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性。另外使用移動端App對實驗室環(huán)境的異常進(jìn)行判斷和處理，使得本系統(tǒng)對實驗室環(huán)境的控制調(diào)節(jié)更加智能化。系統(tǒng)具有一定的可靠性、安全性和便捷性，并可根據(jù)需要增加傳感器模塊實現(xiàn)對實驗室環(huán)境進(jìn)行更加精確的監(jiān)測，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

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【通聯(lián)編輯：王 力】