馮 偉， 彭 力

（江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院信息與控制國家級實驗教學示范中心，江蘇無錫214122）

0 引 言

化學試劑的管理是高校實驗室管理的重要組成部分，也是實驗室安全管理的重中之重。隨著教學、科研條件的不斷改善，高校使用的化學試劑種類及數(shù)量不斷攀升［1-3］。化學試劑種類繁多、理化性質(zhì)各異，特別是有些試劑還具有易燃易爆、有毒有害的特性，如果對試劑管理不善，容易引發(fā)安全事故。

人流量大、試劑取用頻繁，這給高校實驗室化學試劑的存儲管理工作帶來了很大的難度［4-5］。為了提高高校實驗室危險化學試劑的管理水平、杜絕安全事故的發(fā)生，除了完善管理制度、提高師生的安全意識之外，還可以采用信息化手段加強化學試劑的管理。目前有的高校已經(jīng)建立了?；噭┕芾砥脚_，摒棄了傳統(tǒng)手工記賬的方式，但管理平臺的使用還依靠使用者的自覺，對人員依賴性大，系統(tǒng)的實時性、準確性無法得到保證，存在一定的漏洞［4-7］。

為了解決傳統(tǒng)高校實驗室危險化學試劑管理信息系統(tǒng)的缺點，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種?；噭┲悄艽鎯裣到y(tǒng)，它基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把?；噭┕芾砉衽c?；噭┕芾砥脚_相結(jié)合，可以對?；噭┑娜∮萌^程進行自動遠程跟蹤記錄，可追溯性、實時性、準確性得到了保證。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

?；噭┲悄艽鎯裣到y(tǒng)的設(shè)計目的是常溫下存儲揮發(fā)性強、易燃易爆、有毒有害或有腐蝕性的化學試劑，著重監(jiān)控試劑的取用過程，并將有關(guān)數(shù)據(jù)存儲到信息系統(tǒng)［8-9］。整個系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要分為智能柜端、云服務(wù)器端、客戶端。智能柜用于存儲危化試劑，通過傳感器監(jiān)控試劑的狀態(tài)和取用過程；云服務(wù)器負責存儲、處理整個系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的控制核心；智能柜與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信通過NB-IOT實現(xiàn)；客戶端采用Web頁面，通過瀏覽器即可訪問，處理管理人員與系統(tǒng)的人機交互。

2 智能柜的設(shè)計與實現(xiàn)

智能柜在整個系統(tǒng)中的作用是存儲?；噭⒈O(jiān)測試劑的取用過程、用戶權(quán)限及溯源管理、試劑泄漏監(jiān)測、與云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)此需求，設(shè)計的智能柜方案見圖2。

圖2 智能柜方案框圖

智能柜由柜體和控制系統(tǒng)組成。柜體分為4個分柜，分別存儲腐蝕性試劑、有毒試劑、易燃試劑、易爆試劑，防止不同性質(zhì)的試劑揮發(fā)發(fā)生反應(yīng)。每個分柜又分為多個試劑格存放不同的試劑。分柜和試劑格都設(shè)置由電子鎖控制的門。智能柜的實物圖如圖3所示。

圖3 智能柜實物圖

智能柜的控制系統(tǒng)分為主控制器和柜體控制器，兩者之間通過RS-485進行通信，兩者均需要做防爆處理。柜體控制器安裝于分柜上部，負責采集分柜內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，控制排風扇、指示燈、電磁鎖。主控制器安裝于4個分柜之外，負責控制整個智能柜的業(yè)務(wù)操作處理、人機交互、控制4個柜體控制器、通過通信模塊與云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。

2.1 主控制器的設(shè)計

2.1.1 主控制器硬件方案設(shè)計

根據(jù)功能需求，主控制器的功能方案設(shè)計框圖見圖4。

圖4 主控制器功能框圖

主控制器選用的是友善之臂的M1 Plus核心板，其CPU為全志的ARM A7四核處理器Allwinner H3，主頻高達1 GHz，并且集成GPU。M1 Plus核心板板載了1 GB RAM、8 GB eMMC存儲器、1路語音輸出接口、3路USB 2.0、1路HDMI、40個GPIO、2路UART，在此應(yīng)用中只需要自行設(shè)計RS-485和NB-IOT擴展板即可，減輕了硬件設(shè)計工作量，也保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

主控制器需要做人機交互及智能柜的業(yè)務(wù)操作處理，使用液晶屏可以設(shè)計更友好的人機界面、達到更良好的用戶體驗，系統(tǒng)選用了25.7 cm帶觸摸的HDMI液晶，觸摸通信接口為USB。

語音模塊用于在用戶操作液晶時進行語音提示、數(shù)據(jù)異常時進行語音報警。接口直接利用M1 Plus核心板的Audio接口即可。

RFID模塊用于進行用戶權(quán)限的識別，只有經(jīng)過授權(quán)的RFID卡片才可以打開選擇的試劑柜分柜柜門。它與M1 Plus核心板的通信接口為USB接口。

RS-485模塊用于與柜體控制器進行通信，柜體控制器通過RS-485上報傳感器數(shù)據(jù)，主控制器通過RS-485下發(fā)控制指令。

2.1.2 NB-IOT模塊設(shè)計

主控制器通過電信運營商網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。2 GB模塊成本低，但面臨退網(wǎng)的不確定前景；4G網(wǎng)絡(luò)通信速率高、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，但模塊及使用成本高［10-12］。因而在這種通信數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用場景，系統(tǒng)選擇NB-IOT作為通信手段，具體的型號為移遠的全網(wǎng)通模組BC35-G，其電路圖如圖5所示。

圖5 BC35-G電路原理

BC35-G模塊工作電壓范圍為3.1～4.2 V，相比于其他網(wǎng)絡(luò)模塊，它的工作電流低很多，只需要LDO供電能力達到0.8 A即可；C29為鉭電容，布線時盡量靠近VBAT腳，以保證模塊數(shù)傳工作時電壓跌落不低于3.1 V。模塊通過UART結(jié)合AT指令與M1 Plus核心板進行通信，R18、R19用于限流，在低功耗場合可以減少功耗；LED1為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，可以通過AT指令開啟或關(guān)閉；R14、R16、Q1組成模塊的開關(guān)機控制電路，RSTN接M1 Plus核心板的GPIO，GPIO輸出100 ms以上的高電平可以開機，輸出低電平實現(xiàn)關(guān)機；RI為振鈴信號腳，當模塊接收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)時RI腳會輸出至少120 ms的低電平，通知M1 Plus核心板處理。U10為SIM卡槽，支持3GPP規(guī)范；U9為ESD芯片，用于保護SIM卡；需要注意的是NB-IOT使用的是專用卡，不能使用普通手機卡或物聯(lián)網(wǎng)卡。

2.1.3 主控制器軟件設(shè)計

M1 Plus核心板運行Ubuntu操作系統(tǒng)，版本號為18.04，主控制器的軟件采用QT5.14.1進行編寫，IDE為Qt Creator4.11.0。QT是一個跨平臺的C＋＋圖形界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，給開發(fā)者提供了嵌入式Linux環(huán)境下開發(fā)用戶界面的所有功能［13］。軟件界面見圖6。

圖6 主控制器軟件界面

2.2 柜體控制器的設(shè)計

2.2.1 柜體控制器的硬件方案設(shè)計

柜體控制器安裝于分柜內(nèi)側(cè)上部，其功能框圖如圖7所示。

圖7 柜體控制器功能框圖

柜體控制器的CPU選擇STM32F030CC，它基于ARM Cortex-M0核，具有256 KB Flash、32 KB RAM、10路ADC、6路UART、2路IIC、38個帶外部中斷的GPIO，完全滿足本應(yīng)用的需求。

指示燈模塊、電磁鎖模塊、風機模塊通過CPU的GPIO輸出高低電平驅(qū)動繼電器實現(xiàn)開關(guān)控制。

氣體傳感器模塊用于檢測分柜內(nèi)敏感氣體在空氣中的濃度。氣體傳感器類型一般有半導體式、固體電解質(zhì)式、催化燃燒式、電化學式、光學式，結(jié)合性能、價格、體積，選擇了威海精訊暢通科技有限公司的基于催化燃燒式的乙醇傳感器JXM-C2H60、甲烷傳感器JXMCH4、光譜可燃氣體傳感器JXM-LEL，基于電化學式的氯氣傳感器JXM-CL2、磷化氫傳感器JXM-PH3、氰化氫傳感器JXM-HCN。這些傳感器可以檢測常用試劑的揮發(fā)情況，出廠前已經(jīng)經(jīng)過標準氣體標定，只需要使用CPU的ADC接口定時采樣、換算即可。溫濕度傳感器采用IIC接口的SHT20。

門磁傳感器用于檢測柜門、試劑格門的開關(guān)狀態(tài)，通過CPU的外部中斷觸發(fā)稱重模塊檢測試劑格內(nèi)試劑的重量。門磁傳感器選用塑封干簧管及配套磁鐵即可。

2.2.2 稱重模塊的設(shè)計

稱重模塊用于檢測試劑取用前后的試劑重量，主控制器通過重量差可以實現(xiàn)對試劑取用過程的監(jiān)控。成品電子秤也可以實現(xiàn)稱重功能，但是成品電子秤體積大、成本高，輸出接口為232，占用CPU管腳較多、程序處理也復雜，為此專門設(shè)計實現(xiàn)了稱重模塊。稱重模塊采用惠更斯橋式傳感器，輸出信號為差分信號，傳統(tǒng)的信號處理方法是使用儀表放大器對差分信號進行放大后送CPU的ADC處理。傳統(tǒng)方法會存在一致性差、有溫漂、性能受阻容參數(shù)影響大等缺點，在此我們使用了惠更斯橋?qū)Ｓ眯盘栒{(diào)理芯片NSA2860做ADC

前端的信號處理，解決了這些問題。稱重模塊原理圖如圖8所示。

圖8 NSA2860惠更斯橋信號調(diào)理電路

NSA2860是高度集成的阻式或電壓型傳感器專用信號調(diào)理和輸出變送芯片，集成24位信號測量通道、內(nèi)部溫補傳感器、最高256倍增益，僅需少量的外部器件即可實現(xiàn)調(diào)理后的信號數(shù)字輸出、模擬電壓輸出或4～20 mA電流輸出。NSA2860需要單片校準，校準后精度可達0.1%［14］。圖8中，J6為惠更斯橋式壓力傳感器，VREFP為芯片恒壓輸出用于給傳感器供電；R10為精密電阻，用于電流變送反饋；OUT為調(diào)理后的模擬電壓輸出，接CPU的ADC管腳。

2.2.3 柜體控制器軟件設(shè)計

當用戶刷卡通過驗證后，主控制器通過RS-485通知相應(yīng)的柜體控制器將分柜電磁鎖打開；當用戶通過主控制器觸摸屏界面選擇打開試劑格時，主控制器通過RS-485通知柜體控制器打開對應(yīng)試劑格的電磁鎖；打開試劑格電磁鎖之前，柜體控制器通過稱重模塊獲取試劑的重量并上傳至主控制器記錄；當用戶取用完試劑將試劑格鎖住時，門磁傳感器通過中斷信號通知柜體控制器重新稱重對應(yīng)的試劑格內(nèi)試劑重量并上傳至主控制器，兩個重量差即為取用的試劑量，從而實現(xiàn)監(jiān)控試劑的取用過程。

柜體控制器通過氣體傳感器采集分柜內(nèi)空氣中各敏感氣體的濃度、空氣溫濕度，并通過RS-485傳給主控制器；當主控制器判斷敏感氣體濃度高于閾值或溫度高于閾值時，通過自身的語音模塊發(fā)出聲音報警、通過RS-485通知柜體控制器通過指示燈進行燈光報警，并啟動風機進行通風處理。圖9為柜體控制器軟件流程圖。

圖9 柜體控制器軟件流程

3 云服務(wù)器程序的設(shè)計與實現(xiàn)

云服務(wù)器負責接收智能柜發(fā)送的數(shù)據(jù)，解析后存儲在數(shù)據(jù)庫，運行數(shù)據(jù)處理程序?qū)ο到y(tǒng)進行用戶管理、智能柜管理、數(shù)據(jù)展示等業(yè)務(wù)處理。

云服務(wù)器端程序主要包括傳感器協(xié)議處理模塊SPM、業(yè)務(wù)處理模塊BPM。SPM模塊通過監(jiān)聽TCP端口接收智能柜發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，解析后通過接口發(fā)送給BPM；SPM主要面向長連接，采用Apache MINA2框架實現(xiàn)。BPM模塊本質(zhì)上是一個Web工程，主要使用SSM架構(gòu)（Spring MVC、Spring和MyBatis）實現(xiàn)［15］，緩存框架采用EhCache。云服務(wù)器程序架構(gòu)框圖見圖10。

圖10 云服務(wù)器程序架構(gòu)框圖

傳感器協(xié)議處理模塊與業(yè)務(wù)處理模塊通過設(shè)備登錄接口和數(shù)據(jù)接口這2個接口進行通信。智能柜上電工作后主動聯(lián)網(wǎng)上傳設(shè)備登錄請求至SPM，SPM通過BPM的設(shè)備登錄接口轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備登錄請求至BPM，BPM通過程序判斷是否存在這個設(shè)備，若存在則通知SPM通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備后續(xù)上傳的數(shù)據(jù)并在頁面上修改設(shè)備狀態(tài)為在線，否則通知SPM斷開與設(shè)備的連接。SPM、BPM的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程見圖11。

圖11 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程圖

4 客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)使用Web瀏覽器作為客戶端，前端Web頁面使用JSP、jQuery和CSS等傳統(tǒng)前端技術(shù)編寫而成，Js和CSS采用了Pintuer框架。根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，前端Web需要實現(xiàn)登錄管理、用戶管理、設(shè)備管理、設(shè)備狀態(tài)、報警信息、試劑取用記錄、歷史數(shù)據(jù)、大屏展示這些功能及對應(yīng)頁面。

登錄管理是簡單的用戶登錄驗證功能。

用戶管理用于增刪用戶、用戶權(quán)限設(shè)置等操作，用戶需要與智能柜的RFID卡片綁定，綁定的RFID卡片才有權(quán)限打開智能柜及取用試劑。

設(shè)備管理用于增刪智能柜、智能柜與試劑綁定、智能柜與RFID卡綁定、傳感器閾值設(shè)置等操作。

設(shè)備狀態(tài)用于實時顯示智能柜的在線狀態(tài)、智能柜內(nèi)傳感器的數(shù)值。

試劑取用記錄用于記錄各智能柜試劑取用情況并在頁面上直觀顯示。

報警信息用于實時顯示各智能柜傳感器數(shù)據(jù)超過閾值時的報警信息、試劑余量過少需補充時的提醒信息。

歷史數(shù)據(jù)用于查詢傳感器數(shù)值歷史記錄、試劑取用情況的歷史記錄、報警信息的歷史記錄等。

大屏展示可以使管理員實時直觀地查看系統(tǒng)中各部分的情況，大屏展示模塊設(shè)置了設(shè)備在線狀態(tài)、用戶統(tǒng)計、設(shè)備分布、監(jiān)控列表、設(shè)備報警處理狀態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等子模塊。

5 系統(tǒng)測試

實驗室?；噭┲悄艽鎯裣到y(tǒng)最主要功能是監(jiān)控授權(quán)用戶對危化試劑的取用并實時上傳云平臺進行記錄，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性、試劑稱重的準確性是比較重要的參數(shù)，并著重對這兩項指標進行了測試。

5.1 NB-IOT通信測試

測試方法為使用花生殼軟件獲得公網(wǎng)IP結(jié)合網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件建立本地TCP服務(wù)器，使用NB-IOT模塊每30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送3 000次，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手導出的接收數(shù)據(jù)文件對比，數(shù)據(jù)全部接收，丟包率為0，證明NB-IOT模塊穩(wěn)定可靠。

5.2 稱重模塊測試

測試方法為使用科研實驗用臺式電子天平秤與模塊進行稱重對比，每個重量值使用稱重模塊連續(xù)采樣測150次，去掉極值后求平均值，測得10組數(shù)據(jù)。對比測試的天平秤型號為DJ1000FT，其精度為0.01 g。對比如表1。

表1 稱重對比表

通過與成品商業(yè)化的電子天平秤進行稱重對比，誤差最大僅有0.678%，精度完全滿足系統(tǒng)的要求。

6 結(jié) 語

實驗室是開展教學研究和教學實踐的重要場所，管理水平的優(yōu)劣直接影響實驗室作用的發(fā)揮［16］。針對高校實驗室傳統(tǒng)?；噭┕芾淼牟蛔阒?，設(shè)計并實現(xiàn)了一種?；噭┲悄艽鎯裣到y(tǒng)，它創(chuàng)新性的將?；噭┲悄芄芾砉衽c危化試劑管理平臺相結(jié)合，?；噭┐鎯衽c危化試劑管理平臺之間通過NB-IOT進行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)通過RFID對用戶權(quán)限進行了管理，通過稱重模塊對試劑取用過程進行了監(jiān)控，通過實際使用表明，系統(tǒng)具有較好的準確性、實時性、穩(wěn)定性及可追溯性。