陳印超，葉名煬，陳嘉豪，王琪霖

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州，510000）

0 引言

電子物理類實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)的重要組成部分，是新形勢(shì)下培養(yǎng)人才、設(shè)計(jì)創(chuàng)新產(chǎn)品和服務(wù)于社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)的主要場(chǎng)所[5]。近年來(lái)，隨著“雙一流”建設(shè)的推進(jìn)，各大高校電子物理類實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量增加顯著，安全隱患呈現(xiàn)出多樣性、階段性、小群體性和難預(yù)測(cè)性的變化趨勢(shì)[1]。電子物理類實(shí)驗(yàn)室極易因線路老化和使用者操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐呻娖髟O(shè)備燒壞既而引發(fā)諸如火災(zāi)等一系列的安全事故，在當(dāng)前形勢(shì)下僅靠傳統(tǒng)的人防難以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)源的精準(zhǔn)管控。同時(shí)，電子物理類實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備大多比較昂貴，一旦因?yàn)橥鈦?lái)人員偷盜將會(huì)造成較大的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也會(huì)妨礙相關(guān)教學(xué)工作的進(jìn)行，所以對(duì)于該類實(shí)驗(yàn)室的防盜也至關(guān)重要。

因此，亟待設(shè)計(jì)一款智能化的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)，能夠借助傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)對(duì)該類實(shí)驗(yàn)室的各種安全細(xì)節(jié)，如溫濕度、電器設(shè)備燒焦氣體濃度以及用電情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)做出警報(bào)，以此來(lái)有效避免實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生。基于以上現(xiàn)狀，利用HT32F52352單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)出一款可實(shí)時(shí)監(jiān)控、方便操作、智能甄別預(yù)警的實(shí)驗(yàn)室綜合安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)創(chuàng)建構(gòu)想

■ 1.1 創(chuàng)新性分析

本實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)將防盜、安全集于一體，使用單片機(jī)的多個(gè)模塊將電子物理類實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)信息化、數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的精準(zhǔn)管控，保障昂貴儀器設(shè)備等物品的安全，以較低的成本解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式成本高、管理復(fù)雜等的問(wèn)題。系統(tǒng)的創(chuàng)新性包括以下三個(gè)方面：

第一，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室安防領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的智能控制系統(tǒng)，能有效監(jiān)測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)并通過(guò)WiFi傳輸至監(jiān)控中心，以供老師或管理員使用，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互和遠(yuǎn)程管理，讓老師不需要守在實(shí)驗(yàn)室也能通過(guò)電腦掌控實(shí)驗(yàn)室的情況；

第二，對(duì)實(shí)驗(yàn)室電器設(shè)備燒壞時(shí)散發(fā)出的燒焦氣體進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和溫度檢測(cè)，在一定程度上可以提前輸送火災(zāi)報(bào)警信息，可以有效規(guī)避實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故的發(fā)生；

第三，本系統(tǒng)在滿足電子物理類實(shí)驗(yàn)室日常需要的同時(shí),也優(yōu)化用戶體驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)人員能安全、高效地使用、管理實(shí)驗(yàn)室,達(dá)到我國(guó)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理提出的要求和期望。

■ 1.2 可行性分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，無(wú)線傳輸技術(shù)越來(lái)越廣泛地利用在了智能化控制領(lǐng)域。同時(shí)，傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使得一些性能優(yōu)異的傳感器可以更加容易地獲得和使用。本系統(tǒng)采用的模塊均具有成本低、性價(jià)比高、易于安裝的特點(diǎn),并采用32位高性能低功耗單片機(jī)HT32F52352作為主控制器；比較WiFi、藍(lán)牙、Zigbee三種傳輸方式，可知WiFi方式具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的優(yōu)勢(shì)[2]，符合本項(xiàng)目的需求；用Qt編寫(xiě)上位機(jī)效率高、可拓展性好，為管理員提供最為直觀、簡(jiǎn)單的操作。

2 設(shè)計(jì)原理

智慧實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)是一個(gè)多功能模塊集成的項(xiàng)目，為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能，我們需要用到如下硬件模塊：人臉識(shí)別模塊、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、氣體傳感器、WiFi模塊、LCD顯示屏、舵機(jī)、繼電器以及主控制器HT32F52352單片機(jī)。

人臉識(shí)別模塊采集錄入人臉信息，并傳送邏輯信號(hào)給主控芯片，由此判斷門禁系統(tǒng)的開(kāi)與關(guān)。溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、氣體傳感器分別檢測(cè)溫度濕度、人體的紅外輻射、電器設(shè)備燒焦氣體（一氧化碳、二氧化硫等）濃度，這些信號(hào)傳入主控芯片后，主控芯片進(jìn)行邏輯分析，與管理員設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度或燒焦氣體濃度過(guò)高時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到無(wú)人超過(guò)10min后，自動(dòng)斷開(kāi)繼電器模擬自動(dòng)斷電。采集到的數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，一方面通過(guò)WiFi發(fā)送給上位機(jī)方便管理員查看。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分以HT32F52352單片機(jī)為主控，包括人臉識(shí)別模塊、人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器、WiFi模塊、舵機(jī)、LCD顯示屏以及外圍按鍵電路。結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 硬件部分結(jié)構(gòu)框圖

■ 3.1 HT32F52352控制中心

系統(tǒng)的核心控制電路，實(shí)時(shí)接收環(huán)境檢測(cè)的信號(hào)，運(yùn)行融合算法，判斷當(dāng)前情景下需要采取的操作，控制門禁與報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)，與管理員之間通訊等。

■ 3.2 人體檢測(cè)電路

采用HC-SR501傳感器，HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊,采用LHI788探頭設(shè)計(jì)、敏度高、可靠性強(qiáng),低電壓工作模式,廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備,尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。外接電路如圖2所示，VCC工作電壓+5V，DATA接單片機(jī)引腳。

圖2 硬件設(shè)計(jì)電路原理圖

■ 3.3 溫濕度檢測(cè)電路

采用DHT11模塊[3]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接?？捎糜谂照{(diào)、除濕器、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備、消費(fèi)品、汽車、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)記錄器、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、其他相關(guān)濕度檢測(cè)控制。VCC工作電壓+3.3V，DATA接單片機(jī)引腳。

■ 3.4 煙霧檢測(cè)電路

采用MQ-135模塊。MQ氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在一氧化碳、硫化物等電器設(shè)備燒焦產(chǎn)生的氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中相應(yīng)氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-135氣體傳感器對(duì)一氧化碳、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。VCC工作電壓+5V，AO接單片機(jī)引腳。

■ 3.5 無(wú)線通信電路

選用專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ESP8266模塊，內(nèi)置超低功耗Tensilica處理器，CPU時(shí)鐘速度最高可達(dá)160MHz，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口，能適應(yīng)各種操作環(huán)境，保持穩(wěn)定的性能。將WiFi模塊通過(guò)家庭的無(wú)線路由器接入網(wǎng)絡(luò)。

■ 3.6 人臉識(shí)別模塊

采用K210-AI模塊。K210是一款64位雙核帶硬件FPU、卷積加速器、FFT、Sha256的RISC-V CPU。該模塊支持MCU常規(guī)操作，集成了硬件加速的AI機(jī)器視覺(jué)，可對(duì)人臉特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉信息的實(shí)時(shí)錄入，方便了門禁系統(tǒng)的管理。本作品使用此模塊，僅簡(jiǎn)單調(diào)用人臉識(shí)別模型，不作其他控制用途，無(wú)多余的外圍電路。

■ 3.7 顯示電路

采用一塊3.2寸的TFT液晶觸摸屏，該屏幕采用XPT2046芯片作為觸摸控制芯片，XPT2046芯片控制4線電阻觸摸屏，HT32F52352與XPT2046采用SPI通訊獲取采集得的電壓，然后轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的觸控。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)采用基于Qt開(kāi)發(fā)交互界面[4]的上位機(jī)軟件。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，它擁有較多的可自定義的C++類庫(kù)。當(dāng)Qt使用QTcp Socket類的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊；而當(dāng)Qt使用帶UI界面的QWidget類的時(shí)候，則可以快速實(shí)現(xiàn)可視化圖形界面APP的編寫(xiě)[6]。

Qt既可以用于開(kāi)發(fā)GUI程序，也可用于開(kāi)發(fā)非GUI程序，例如控制臺(tái)工具和服務(wù)器等。作為一種面向?qū)ο蟮目蚣?，Qt使用特殊的代碼生成擴(kuò)展以及一些宏，同時(shí)容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。

本系統(tǒng)中，HT32F52352單片機(jī)利用TCP協(xié)議通過(guò)路由器發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)，PC機(jī)socket接收并利用QT將接收的數(shù)據(jù)顯示。在PC機(jī)創(chuàng)建Qt上位機(jī)軟件，登錄系統(tǒng)軟件后將顯示圖3所示的主界面。主界面上顯示“設(shè)備控制”、“環(huán)境監(jiān)測(cè)”等功能按鍵。點(diǎn)擊“環(huán)境監(jiān)測(cè)”按鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、電器設(shè)備燒焦氣體）的實(shí)時(shí)觀測(cè)；點(diǎn)擊“設(shè)備控制”按鈕，管理員就可以遠(yuǎn)程操控下位機(jī)的控件，如開(kāi)門、開(kāi)燈等具體操作。

圖3 Qt上位機(jī)軟件界面

5 系統(tǒng)規(guī)劃圖及說(shuō)明：

■ 5.1 門禁部分

如圖4所示，門禁系統(tǒng)初始化過(guò)后便開(kāi)始進(jìn)行工作，運(yùn)行方式包括人臉識(shí)別和密碼登錄兩個(gè)選項(xiàng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人員可以選擇其中的任意一種方式來(lái)完成身份驗(yàn)證，身份驗(yàn)證通過(guò)則開(kāi)鎖進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，身份驗(yàn)證失敗則將重新返回登錄界面，等待下一次的操作。

圖4 門禁系統(tǒng)流程圖

■ 5.2 環(huán)境檢測(cè)及斷電檢測(cè)

如圖5所示，系統(tǒng)通過(guò)傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和斷電檢測(cè)。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、氣體濃度等）超過(guò)閾值時(shí)，則觸發(fā)報(bào)警，并將信息通過(guò)無(wú)線WiFi傳至PC上位機(jī)，告知實(shí)驗(yàn)室管理員；當(dāng)人體紅外傳感器檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室無(wú)人并且超過(guò)10分鐘時(shí)，則系統(tǒng)自行對(duì)儀器進(jìn)行斷電，以此來(lái)規(guī)避不必要的麻煩。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用HT32F52352單片機(jī)作為主控制器，由人臉識(shí)別模塊、各類傳感器模塊（人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器）、WiFi模塊、LCD顯示屏、舵機(jī)、繼電器組成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人員進(jìn)行人臉識(shí)別的核查、利用各類傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部潛在的安全隱患（溫度、電器設(shè)備燒焦氣體等）進(jìn)行識(shí)別排查、對(duì)實(shí)驗(yàn)室無(wú)人情況時(shí)的自動(dòng)斷電處理以及利用WiFi技術(shù)對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和傳輸?shù)墓δ?，?duì)于現(xiàn)代各大高校的電子物理類實(shí)驗(yàn)室的安全隱患和防盜具有十分重大的應(yīng)用推廣價(jià)值。