陳吉

摘? 要： 傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)在對實驗室安全進行監(jiān)控時，響應(yīng)時間長、安全性差。為了解決上述問題，基于扁平化指揮設(shè)計了一種新的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)。利用采集模塊、控制模塊、GPRS無線模塊以及電源模塊設(shè)計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在采集模塊中加入門磁開關(guān)、溫度傳感器和煙霧傳感器，選用AT89S52芯片作為GPRS無線模塊中的內(nèi)部芯片，在電源模塊中增設(shè)了PCB板。軟件程序主要設(shè)計了驅(qū)動程序和視頻監(jiān)控程序，利用上電復(fù)位、數(shù)據(jù)測試、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示完成驅(qū)動工作，通過調(diào)節(jié)IP地址端口設(shè)定視頻監(jiān)控程序。為檢測系統(tǒng)性能，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進行實驗對比，結(jié)果表明，基于扁平化指揮設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)時間很短、安全性能高，更適合實驗室監(jiān)控工作。

關(guān)鍵詞： 扁平化指揮; 智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng); 門磁傳感器; 實時信息采集; GPRS無線模塊; 報警設(shè)備

中圖分類號： TN948.64?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0170?05

Design of intelligent laboratory safety monitoring system based on flatting command

CHEN Ji

（East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract： The traditional security monitoring system is of long response time and poor security when monitoring the security of the laboratory. In order to solve the above problems， a new intelligent laboratory security monitoring system is designed based on the flatting command. The hardware structure of the system is designed by the acquisition module， the control module， the GPRS wireless module and the power module. The gate magnetic switch， temperature sensor and smoke sensor are added to the acquisition module. The AT89S52 chip is taken as the internal chip of the GPRS wireless module. The PCB board is added to the power module. The software program is mainly composed of the driving and video monitoring programs. The driving work is completed by power?on reset， data test， data processing and data display and the video monitor program is set by adjusting the IP address port. In order to test the performance of the system， the contrast experiment between the proposed system and the traditional monitoring system was performed. The results show that the intelligent laboratory safety monitoring system based on the flatting command design is of short response time and high safety performance， which is more suitable for laboratory monitoring.

Keywords： flatting command; intelligent laboratory security monitoring system; gate magnetic sensor; real?time information acquisition; GPRS wireless module; warning equipment

0? 引? 言

安全監(jiān)控系統(tǒng)最初被用來監(jiān)控大型儀器工作狀態(tài)，系統(tǒng)與一體化面板連接，遇到突發(fā)狀況后，一體化面板會直接操作[1]。近年來，隨著監(jiān)控一體化技術(shù)的發(fā)展，各種類型的監(jiān)控手段不斷被提出，安全監(jiān)控也在傳統(tǒng)的一體化技術(shù)上加入了通信技術(shù)，利用計算機控制系統(tǒng)同時監(jiān)控設(shè)備和環(huán)境，具有實時性[2]。目前，很多學(xué)校的實驗室里都配備了安全監(jiān)控系統(tǒng)，記錄實驗室設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，以及所處環(huán)境的溫度參數(shù)，再借助計算機中心系統(tǒng)進行管理操作[3]。

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然具備一定的監(jiān)控能力，但是層級過多，監(jiān)控結(jié)果要經(jīng)過一段時間才能傳給中心系統(tǒng)，中心系統(tǒng)從多個指揮點下發(fā)命令，系統(tǒng)在同一時間內(nèi)難以執(zhí)行。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)得到的內(nèi)容多是數(shù)據(jù)內(nèi)容，以表格或者圖像的方式傳遞給工作人員，缺少直觀性，很多關(guān)鍵信息難以在第一時間被工作人員查詢到[4]。

綜上所述，本文引入扁平化指揮體系設(shè)計實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控系統(tǒng)的層級大大減少，指揮中心可以直接指揮監(jiān)控系統(tǒng)，并快速反映出監(jiān)控結(jié)果。利用扁平化體系設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)對于環(huán)境有著很強的適應(yīng)能力，實時性高、可靠性強、測量范圍廣，通過視頻監(jiān)控的方式記錄監(jiān)控內(nèi)容，使監(jiān)控效果更加清晰，工作人員可以更加直觀地了解到需要了解的內(nèi)容，查詢到實驗室內(nèi)部的整體環(huán)境，以便于下發(fā)管理策略。

1? 智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

為簡化監(jiān)控系統(tǒng)操作過程，避免環(huán)節(jié)過多而導(dǎo)致的信息外泄，本文基于扁平化指揮設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件共分為三個模塊，分別為：信息采集模塊、通信模塊和主控模塊，每個模塊選用不同的芯片，利用不同的電路連接。

設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

觀察圖1可知，基于扁平化智慧設(shè)計的實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端共有4個：傳感器模塊、控制器模塊、GPRS無線模塊以及電源模塊。分模塊的設(shè)計方案使系統(tǒng)在監(jiān)控時更加有針對性，延展能力和擴展能力更強。

傳感器探測的實驗室參數(shù)主要有3個：門磁開關(guān)、實驗室溫度、是否存在煙霧[5]。利用GPRS無線傳輸模塊傳輸傳感器采集到的各種信息，再通過單片機控制監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用統(tǒng)一的電源提供電量，電壓為12 V，電量在傳輸?shù)礁鱾€芯片之前會經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換，防止電壓過高，損傷芯片[6]。

1.1? 信息采集模塊設(shè)計

本文設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部擁有多個傳感器，能夠很好地采集信號，具備實時性。本文僅針對門磁傳感器和溫度傳感器做詳細研究。

門磁開關(guān)傳感器負責報警系統(tǒng)，當實驗室不使用時，該傳感器就會啟動工作，實時探測是否有外界人員入侵，一旦發(fā)現(xiàn)存在外界人員入侵，傳感器會立刻發(fā)出警報聲，并通過短信與實驗室的管理員聯(lián)系[7]。

門磁傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

觀察圖2可知，由于本文設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)占地面積很小，所以門磁開關(guān)傳感器外形尺寸[8]也對應(yīng)減小，為70 mm×35 mm×11 mm。傳感器能夠發(fā)射30 mW的功率，在工作時需要的電流為10 mA，需要的電壓為12 V，內(nèi)部選用的電池為A23，該電池為報警專用電池，工作頻率為315 MHz，門磁開關(guān)內(nèi)部同時擁有編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272。

在設(shè)計出門磁傳感器后，設(shè)計溫度傳感器，通過溫度傳感器分析環(huán)境問題，如果實驗室出現(xiàn)火災(zāi)，溫度傳感器也能夠起到報警作用。選用的溫感器件為AD590，不僅能夠測量攝氏溫度，同時，能夠測量熱力學(xué)溫度。AD590體積很小，線性度好，測量時工作狀態(tài)穩(wěn)定，測量范圍為-50～150 ℃，測量誤差[9]僅為0.2 ℃。經(jīng)過AD590傳感器的電壓要控制在4～30 V之間，允許的電壓變化范圍為4～6 V，AD590能夠承受的正向電壓為44 V，負向電壓為20 V，即使器件被反接，也不會損壞。測量檔位共有5擋，記錄成A，B，C，D，E，精確度極高。

測溫電路如圖3所示。

觀察圖3可知，測溫電路的主要功能是將得到的電流參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。其中，AD590作為電流輸出元件，溫度升高1 K，電流就會增加1 μA。測溫電路中加入了3個放大器，每經(jīng)過一次放大，就會得到一個新的電壓值，通過LED顯示溫度變化結(jié)果[10]。

1.2? GPRS模塊設(shè)計

本文選用的微處理器為MCS?51，該處理器成本低，性能好，操作靈活，能夠使系統(tǒng)硬件更加穩(wěn)定可靠。MCS?51微處理器內(nèi)部選用的芯片為AT89S52芯片，該芯片為Atmel公司生產(chǎn)，選用的技術(shù)為高密度存儲技術(shù)，能夠與單片機很好兼容。擦寫周期高達1 000次，加密程序分為3級，系統(tǒng)硬件的操作方式為靜態(tài)操作，工作頻率為0～33 Hz，芯片內(nèi)部擁有14個可編程的I/O口線，2個串行通道，3個定時器和5個18位計時器，同時加入2個數(shù)據(jù)指針，提高精度。當芯片不工作時，會自動進入低功耗的休眠模式，休眠模式提供的電流[11]為2.5 mA。

GPRS模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

觀察圖4可知，設(shè)計的GPRS模塊采用的結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，在存儲程序和數(shù)據(jù)時彼此分開，存儲的數(shù)據(jù)量最高可達到64 KB，每個字節(jié)都有對應(yīng)的地址。尋址方式為先外部后內(nèi)部。存儲模塊內(nèi)部鍵入晶體振蕩器，作為時鐘電路核心部件，能夠為單片機提供必要的時序控制[12]。

1.3? 電源模塊設(shè)計

由于電路在設(shè)計時會產(chǎn)生阻抗，使線路中電壓不穩(wěn)定，所以本文在設(shè)計電源模塊時，線路盡量加寬，使電壓更加穩(wěn)定。

本文設(shè)計的電源電路圖如圖5所示。

由于電路在輸入時還會存在靜電和脈沖，因此，輸入的電路要具備抗浪涌、抗脈沖差模干擾的能力。模塊在發(fā)射時，設(shè)定峰值功率為7～8 W，設(shè)定峰值電流為2 A。在設(shè)計電源電路時，要特別考慮電源功率，同時，串入感性器件，使電源電路的抗干擾能力更強。但電源內(nèi)部的電池與系統(tǒng)的模塊不能串聯(lián)其他器件，防止其他器件影響電池[13]。在電路的客戶端口加入PCB板，因此，電路的電源線要走最外層，便于PCB板散熱。

圖5中的電源電路還加入了TVS管，提高系統(tǒng)對靜電的抑制能力，并加快響應(yīng)速度，使系統(tǒng)電源電路的響應(yīng)速度達到ns級。系統(tǒng)開啟電壓不同，選擇的TVS管也不同，通常TVS管不能超過電源電壓1～2 V，如果超過這一值，TVS管的抑制效果會大大降低。

2? 智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于扁平化指揮設(shè)計的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠直接對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，有效提高監(jiān)控過程的穩(wěn)定性以及監(jiān)控結(jié)果的可靠性。為使系統(tǒng)更加完善，本文根據(jù)設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)對軟件模塊進行設(shè)計，主要設(shè)計了驅(qū)動模塊和視頻監(jiān)控模塊。

2.1? 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動模塊主要負責兩方面工作：控制監(jiān)控系統(tǒng)電源;在數(shù)據(jù)進行交換時，起到保護作用。

為了確保驅(qū)動模塊能夠始終處于工作狀態(tài)，本文設(shè)計了兩種啟動模式：第一種啟動模式為按鍵啟動;第二種啟動模式為時鐘啟動。通常情況下會選擇第一種模式，但是如果第一種啟動模式難以啟動軟件程序，則要選擇第二種模式。

驅(qū)動模塊程序工作流程如圖6所示。

觀察圖6可知，系統(tǒng)在經(jīng)過上電復(fù)位之后，會同時進行兩個步驟，分別是系統(tǒng)初始化和軟件復(fù)位處理，在測試系統(tǒng)工作正常后，驅(qū)動程序的鍵盤才能顯示中斷。鍵盤中斷之后，判斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否符合標準，如果監(jiān)控的數(shù)據(jù)不符合標準，報警設(shè)備則會發(fā)出警報聲，提醒工作人員;如果監(jiān)控到的數(shù)據(jù)符合標準，則監(jiān)控系統(tǒng)會自動對數(shù)據(jù)進行處理，并且將處理的結(jié)果顯示在LED屏上。

2.2? 視頻監(jiān)控程序設(shè)計

相較于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，本文在軟件程序中加入了視頻監(jiān)控程序，通過視頻監(jiān)控來保障監(jiān)控結(jié)果的精準性。每個視頻客戶端都會設(shè)定相應(yīng)的IP地址和端口地址，方便工作人員查找，同時，在程序內(nèi)部加入GSM調(diào)試助手，進行必要的調(diào)解工作。需要特別指出的是，端口號和客戶端必須要保持一致。監(jiān)控程序界面如圖7所示。

3? 驗證實驗

3.1? 實驗?zāi)康?/p>

為了檢測本文基于扁平化指揮的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的實際效果，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進行了對比，分析實驗結(jié)果。

3.2? 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

3.3? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進行實驗，選用本文研究的基于扁平化指揮的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，同時對同一個實驗室進行安全監(jiān)控，記錄溫度異常檢測響應(yīng)時間、煙霧異常檢測響應(yīng)時間，根據(jù)得到的結(jié)果對兩種系統(tǒng)的性能進行具體分析。

得到的實驗結(jié)果如圖8，圖9所示。觀察圖8可知，隨著實驗室異常溫度的增加，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和本文研究的監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)時間都會有所減少，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間始終多于本文研究的系統(tǒng)。當異常溫度為0.1 ℃時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)需要0.9 ms能夠檢測到，本文系統(tǒng)需要0.8 ms能夠檢測到，這種差距到了后期愈加明顯;當異常溫度達到0.9 ℃時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)需要花費0.5 ms才能檢測到，而本文系統(tǒng)僅花費0.05 ms就可以檢測到監(jiān)控結(jié)果，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

觀察圖9可知：當煙霧異常濃度為1%LEL時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.9 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.4 ms;當煙霧異常濃度為3%LEL時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.45 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.13 ms;當煙霧異常濃度為5%LEL時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.2 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.03 ms。由此可見，本文研究的系統(tǒng)響應(yīng)時間很短，實驗室一旦出現(xiàn)安全隱患，該系統(tǒng)能夠立即監(jiān)控出來，并且發(fā)出警報聲，提醒工作人員第一時間采取解決辦法。

3.4? 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果得到如下實驗結(jié)論：相較于傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，本文研究的基于扁平化指揮體系的智能實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)同時具備信息采集功能、信息處理功能、監(jiān)督功能、管理功能和控制功能。能夠?qū)ΡO(jiān)控過程產(chǎn)生的各種實時信息進行采集，通過預(yù)處理以新的采樣形式輸出，確保工作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)都是準確的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動分離、分析、歸納得到的數(shù)據(jù)，篩選掉無用數(shù)據(jù)，存儲有用數(shù)據(jù)。本文研究的系統(tǒng)還增設(shè)了報警設(shè)備，一旦監(jiān)控到異常現(xiàn)象，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報聲，提醒工作人員迅速采取措施解決異常。對于常規(guī)操作，本文設(shè)定的系統(tǒng)具備控制能力，可在允許的范圍內(nèi)對各項設(shè)備參數(shù)進行調(diào)解。

4? 結(jié)? 語

本文利用的主要體系為扁平化指揮體系，在安全監(jiān)控系統(tǒng)終端加入了傳感器技術(shù)，針對實驗室設(shè)計了有效的監(jiān)控方案。通過引入現(xiàn)代化的通信方式提高監(jiān)控技術(shù)的智能性，加入單片機AT89S52和GPRS模塊對硬件進行開發(fā)，根據(jù)得到的硬件系統(tǒng)開發(fā)各項軟件模塊。

該系統(tǒng)在實驗室安全監(jiān)控領(lǐng)域有著很強的優(yōu)勢，但是也具備一定的局限性：選用的單片機為8位單片機，作為監(jiān)控終端處理能力有限;網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與理論值存在一定差異;加入TCP協(xié)議后，監(jiān)控的數(shù)據(jù)量增多;缺少有效的數(shù)據(jù)庫。未來在設(shè)計和研究時，應(yīng)該根據(jù)實際需求對上述幾個問題進行修正處理。

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