金煒翔 賴忠喜

（臺州職業(yè)技術學院機電工程學院 浙江省臺州市 318000）

1 引言

高校實驗室是高等學校進行實驗實訓、科研創(chuàng)新的重要場所，實驗室里存放著大量的實驗設備、精密的科研儀器、危險的化學藥品等，而且實驗室使用頻繁，一旦發(fā)生意外，嚴重威脅到科研人員和學生人身安全的同時，也會給高校帶來巨大的財產損失，實驗室的安全問題已成為實驗室工作中的重中之重，目前我國大部分高校實驗室監(jiān)測系統(tǒng)存在如下不足：一是傳統(tǒng)實驗實監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測方式單一，需要好幾套系統(tǒng)來實現實驗室監(jiān)控所有功能，缺少集中化、綜合化等優(yōu)點，二是傳統(tǒng)實驗室監(jiān)控系統(tǒng)采用短信報警的方式來提醒實驗室發(fā)生災情，而管理人員不知道實驗室所發(fā)生報警時的實時畫面，三是實驗室監(jiān)控系統(tǒng)信息化程度低，實驗室環(huán)境無法實時監(jiān)控等問題，為此本文利用物聯網技術，設計了一種基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了火災預警、實驗室環(huán)境監(jiān)控、防盜、智能門禁、實驗室設備遠程監(jiān)控等功能，能及時發(fā)現和處理實驗室各種安全隱患，解決了傳統(tǒng)實驗室安全性差、監(jiān)控功能不完善等問題。

2 系統(tǒng)整體設計

圖1 為一種基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構框圖，系統(tǒng)由數據采集模塊、門禁模塊、聲光報警模塊、控制器模塊、執(zhí)行模塊、Wi-Fi 通信模塊、攝像頭模塊、顯示模塊和電源模塊等構成，控制器模塊通過數據采集模塊采集實驗室的環(huán)境參數，然后根據所采集的這些參數對各個模塊進行相應的控制，使實驗室處在一個舒適的環(huán)境下，同時系統(tǒng)會將實驗室相關參數、設備狀態(tài)上報給阿里云服務器，云服務器再將相關數據發(fā)送到移動終端APP 上，當實驗室出現報警的情況時，系統(tǒng)會拍攝現場照片并將照片和報警信息等相關數據推送至云服務器和手機APP 上，管理人員在阿里云平臺和手機APP 上都能看到實驗室的環(huán)境參數、設備狀態(tài)、報警信息和所拍攝的現場照片等信息，同時也可通過手機APP 也可對實驗室的執(zhí)行設備進行控制，從而實現對實驗室的遠程監(jiān)控。

圖1： 系統(tǒng)總體結構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制器模塊的選擇

控制器模塊采用意法半導體公司生產的一款基于CORTEX M4 內核的STM32F407ZGT6 單片機, 該單片機功能強大，主時鐘高達168MHZ，具有192KB SRAM、1024KB FLASH、2 個DMA 控制器（共16 個通道）、3 個SPI、3 個IIC、6 個串口、17 個定時器、2 個CAN、3 個12 位精度的ADC、1 個FSMC 接口、1 個RTC 以及114 個通用IO 口等資源，而且其內部還自帶有數字攝像頭接口(DCMI)，能進行復雜的計算與控制，非常適合在此場合應用。

3.2 數據采集模塊的設計

數據采集模塊主要用于采集實驗室的環(huán)境參數，包括光照度檢測模塊、溫濕度檢測模塊、可燃氣體檢測模塊、火焰檢測模塊、震動傳感檢測模塊和人體紅外檢測模塊。其部分電路原理圖如圖2 所示，光照度檢測模塊采用BH1750 光強度傳感器，是一種用于兩線式串行總線接口的數字型環(huán)境光強度傳感器，供電電壓為3-5V，傳感器內置16bitAD 轉換器，省略復雜計算和標定，通過相應的指令操作即可讀取出內部存儲的光照度數據。數據傳輸使用標準的 I2C 總線，按照時序要求操作起來非常方便，其電路原理如圖2(a)所示。

圖2： 數據采集模塊部分電路原理圖

溫濕度檢測模塊采用的DHT11數字溫濕度復合傳感器，其輸出的溫濕度就是數字量，電路中不需使用A/D進行轉換，溫度精度±2℃，測量范圍 0～50℃，空氣相對濕度±5%RH，測量范圍為20～90%RH。DHT11 數字溫濕度傳感器連接方法很簡單，如圖2（b）所示，DHT11 的第1 和第4 引腳分別接到3.3V 電源和GND 上，單片機的PB14 引腳與作為數據端口的DHT11 的第二引腳相連接，同時為了保護單片機的I/O 口和防止信號干擾，在PB14 引腳上接一個5K 的上拉電阻。

可燃氣體檢測模塊采用MQ-2 氣體傳感器，該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)，當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，其輸出的電壓數值就越大。其電路原理圖如圖2(c)所示， MQ-2 傳感器的第4 腳和第6 腳為輸出的電壓模擬量信號，與單片機的PF7 相連接，采用單片機自帶的12 位A/D 模塊實現采集信號的模數轉換。

震動傳感檢測模塊采用SW-420 型震動傳感模塊，該模塊以輸出引腳的高低電平來判斷震動的檢測狀態(tài)。當檢測到外部有振動信號的時候，其輸出引腳會輸出一個高電平，信號指示燈亮起。并且可以通過調節(jié)模塊的變位器調節(jié)模塊的靈敏度，降低模塊誤報率。傳感器的輸出引腳與STM32 單片機的 PB15 相連接，其電路原理圖如圖2(d)所示。

火焰檢測模塊采用Risym 火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器可以檢測火焰或者波長在760 納米～1100 納米范圍內的紅外光源，探測角度60 度左右，對光焰光譜特別靈敏，工作電壓3.3-5V，該傳感器可以將環(huán)境中的紅外光的強弱變化轉換成電流大小的變化，然后經過單片機的A/D轉換模塊后變成數值的變化。人體紅外檢測模塊采用由HC-SR501 人體紅外感應傳感器，該傳感器也是通過輸出引腳的高低電平來判斷實驗室來人狀況。

3.3 繼電器模塊的設計

繼電器模塊電路原理圖如圖3 所示，由于單片機的I/O口不能直接驅動繼電器，因此采用三極管放大來驅動繼電器，為避免信號之間的相互干擾，系統(tǒng)采用開關光耦將輸出通道進行隔離，當STM32 單片機的PG6 輸出為低電平時，光耦導通，三極管Q4 飽和導通，D11 指示燈點亮，繼電器線圈通電從而控制執(zhí)行設備電氣回路導通啟動工作；當PG6 輸出為高電平時，光耦截止，三極管Q4 處于截止狀態(tài)，繼電器線圈不通電，執(zhí)行設備電氣回路斷開不執(zhí)行動作。

圖3： 繼電器模塊電路原理圖

3.4 電源模塊的設計

電源模塊主要為系統(tǒng)的各個元器件提供電源，本系統(tǒng)中各個元器件所需要的供電電壓為DC12V、5V 和3.3V。其中12V 主要給窗簾電機和電磁門進行供電，采用明緯開關電源將交流220V 轉為直流12V，該開關電源具有短路、過負載和過壓的保護功能，具有體積小，效率高和可靠度高等優(yōu)點。直流12V 轉5V 的轉換芯片采用RT7272B 電源轉換器，RT7272B 是一種高效率，電流模式同步降壓型DC / DC 轉換器，可提供高達3A 的輸出電流，其電路原理圖如圖4 所示， RT7272B 的第3 引腳EN 通過一個電阻接到第8 引腳上，使RT7272B 一直處于使能狀態(tài)，第7 引腳RLIM 通過180K電阻接到GND 端，用來確定電流限值，第6 引腳COMP 通過一個RC 網絡接地，用于補償調節(jié)控制回路，選取合適阻值的電阻R5 和R9，使RT7272B 的輸出為5V 電壓。5V 的電源主要給震動傳感檢測模塊、火焰檢測模塊繼電器模塊和顯示模塊供電，直流5V 轉3.3V 采用LM1805-3.3 線性穩(wěn)壓器來實現， LM1085 是一款單芯片集成的電壓轉換器，提供3A 電流輸出，具備過流和過溫保護，具有可靠的工作性能、較高的工作效率。3.3V 電源主要負責給控制器模塊、WIFI通信模塊、攝像頭模塊等進行供電。

圖4： 電源模塊電路原理圖

3.5 攝像頭模塊的設計

攝像頭模塊采用Omni Vision 公司生產的 1/4 寸 CMOS攝像頭OV2640傳感器，該攝像頭具有體積小，工作電壓 3.3V的低電壓特性，再加上 OV2640 在低照度環(huán)境下仍然具有較高靈敏度，在夜間也能較好的采集圖像，特別適合嵌入式開發(fā)應用。OV264 攝像頭模塊引出的排針接口如圖5 所示，STM32 單片機通過IIC 總線與OV2640 配置端口（SCCB）連接，對OV2640 攝像頭模塊的分辨率大小、圖像格式與圖像方向等功能進行設置，通過自帶的DCMI 總線接口與OV2640 攝像頭DVP 接口相連接，對攝像頭采集到的圖像像素數據進行控制輸出，本系統(tǒng)設置攝像頭輸出為UXGA模式，分辨率為1600×1200，并以RGB565 圖像輸出格式來實現輸出圖像數據。

圖5： 攝像頭模塊原理圖

3.6 Wi-Fi通信模塊的設計

Wi-Fi 通訊模塊選用ESP8266Wi-Fi 模塊，其電路原理圖 如 圖6 所 示，ESP8266Wi-Fi 模 塊 的RXD、RST、CH_PD、TXD 分別與單片機的PB10、PB13、PB12 和PB10 相連，其中RXD 和TXD 作為數據的收發(fā)引腳；RST 引腳連接復位信號，低電平時復位；CH_PD 為ESP8266 的供電控制引腳，低電平可停止供電。ESP8266 Wi-Fi 模塊集成了ESP826EX 芯片和4 MB SPI FLASH, 帶有PCB Wi-Fi 天線，支持SofteAP 模式，station 模式以及混合模式三種Wi-Fi 工作模式，本系統(tǒng)中，ESP8266 采用station 模式，利用透傳功能將數據進行上傳。

圖6： Wi-Fi 通信模塊電路原理圖

3.7 其它模塊的設計

顯示模塊主要用于顯示數據采集模塊采集到的環(huán)境參數，同時也顯示按鍵密碼鎖、指紋識別的提示信息和設置實驗室各環(huán)境參數的閾值，所述顯示模塊采用ATK-4.3 寸TFTLCD 電容觸摸屏，分辨率為 800*480，16 位真彩顯示,采用 NT35510 驅動，該芯片直接自帶 GRAM，無需外加驅動器，該LCD 采用16 位8080 并口，觸摸屏采用IIC 接口與STM32 單片機進行通信，

門禁模塊采用指紋識別技術和按鍵密碼的兩種識別方式實現門禁系統(tǒng)的認證，指紋識別模塊采用AS608 指紋識別模塊，AS608 指紋識別模塊中內置DSP 運算單元，集成了指紋識別算法，能高效、快速完成指紋圖像的采集、特征提取、特征匹配等指紋識別過程。用戶不必再去研究復雜的指紋識別算法，節(jié)省時間，只需通過模塊配備的串口按照通訊協(xié)議就能實現對指紋模塊的控制。密碼按鍵模塊采用采用4×4 矩陣鍵盤模塊，實現按鍵密碼鎖的功能，模塊引出的8 個引腳與STM32 單片機的GPIO 口連接，通過程序設計實現其相關功能。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以KEIL C5 作為程序編譯軟件，用C 語言編寫具體的程序代碼，圖7 為系統(tǒng)的主程序流程圖，系統(tǒng)開始工作時，首先進行各個模塊的初始化，包括GPIO 端口初始化、串口初始化、定時器初始化、A/D 初始化、LCD 屏幕初始化、Wi-Fi 通信模塊初始化和攝像頭模塊初始化等。接著采用密碼按鍵模塊設置實驗室各環(huán)境參數的動作閾值和報警閾值，然后數據采集模塊采集實驗室的環(huán)境參數，之后處理門禁系統(tǒng)的請求和TFT 液晶屏的顯示，控制器根據所采集的實驗實的環(huán)境參數對各個執(zhí)行機構進行控制，如當定時器定時時間到時，系統(tǒng)自動連接云服務器，同時上傳實驗室的環(huán)境參數和設備狀態(tài)到云服務器，云服務器再將相關數據發(fā)送到手機APP 上，接著系統(tǒng)判斷是否有報警事件發(fā)生，報警事件包括：

圖7： 系統(tǒng)主程序流程圖

（1）環(huán)境參數超出報警閾值；

（2）指紋識別錯誤次數超過三次；

（3）密碼輸入錯誤次數超過三次；

（4）有非法入侵者進入實驗室；

（5）發(fā)生火災等報警事件。

如發(fā)生報警，系統(tǒng)馬上會進行聲光報警，同時觸發(fā)攝像頭模塊進行拍攝現場照片，然后通過Wi-Fi 無線通信模塊連接到阿里云服務器，并將實驗室的環(huán)境參數、設備狀態(tài)、拍攝的照片和報警信息上傳到阿里云平臺，系統(tǒng)使用對象存儲OSS（Object Storage Service）的云儲存服務存儲所拍攝的照片，通過API 接口將所傳送來的圖片數據發(fā)送到手機APP 上,在阿里云平臺和手機APP 上都能看到實驗的環(huán)境參數、設備狀態(tài)、報警信息和所拍攝的現場照片，接著系統(tǒng)會判斷云服務器是否有控制命令發(fā)送給控制器模塊，若有則控制器模塊再驅動相應執(zhí)行模塊進行相應的動作，若沒有系統(tǒng)則重新進行實驗室環(huán)境參數的采集，進行周而復始的循環(huán)運行。

為在實驗室工作的老師和同學提供一個舒適的環(huán)境。實驗室的執(zhí)行機構控制策略為：

（1）當實驗室采集的溫度或者濕度超出設定的閾值時，則打開空調進行調節(jié)，使實驗室的溫度和濕度控制在人舒適的范圍內。

（2）當實驗室采集的光照度高于設定的最高閾值時，關閉照明裝置并且驅動窗簾系統(tǒng)關閉窗簾以降低室內光線，當實驗室采集的光照度低于設定的最低閾值時，打開照明裝置并且驅動窗簾系統(tǒng)拉開窗簾增強室內光線。

（3）當實驗室采集的可燃性氣體濃度高于設定閾值時，開啟排風裝置。

（4）當系統(tǒng)檢測到實驗室發(fā)生火災時，則開啟滅火裝置。

手機APP 應用程序使用阿里云自帶的IoT Studio 的移動可視化開發(fā)工具開發(fā)，該工具方便地將各種圖表組件與設備相關的數據源關聯，無需編程，即可將物聯網平臺上接入的設備數據進行可視化展現。APP 的測試界面如圖8 所示。

圖8： APP 測試界面

5 總結

為了給實驗室的師生提供一個安全舒適的教科研環(huán)境，實現實驗室的遠程監(jiān)控功能，設計一款基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現和處理各種實驗室發(fā)生的突發(fā)事件，降低了實驗室管理員的工作難度，提高了實驗室的安全性和管理水平，具有一定的應用推廣價值。