徐子涵,耿麗清,徐世緣,劉宇璽

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222)

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是各大高校教學(xué)與科研創(chuàng)新的主要場(chǎng)所。由于高校實(shí)驗(yàn)室人流量大,學(xué)生安全意識(shí)淡薄,近年來(lái)在實(shí)驗(yàn)室因操作不當(dāng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)施老舊、設(shè)備運(yùn)行超負(fù)荷、無(wú)色無(wú)味有毒氣體或由不可控的惡劣氣候?qū)е碌幕馂?zāi)、爆炸、中毒、觸電等危險(xiǎn)事故頻發(fā)。為此各大高校都十分重視實(shí)驗(yàn)室的安全與管理。而目前市場(chǎng)上沒(méi)有一款經(jīng)濟(jì),高效的產(chǎn)品可以監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室安全情況。為了能夠更加高效的管理實(shí)驗(yàn)室,減輕實(shí)驗(yàn)室工作人員的負(fù)擔(dān),提高實(shí)驗(yàn)室的安全系數(shù),降低危險(xiǎn)事故所造成的損失。本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一款基于云平臺(tái)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)以及客戶(hù)端編程等相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員進(jìn)出、火災(zāi)情況、有毒氣體、煙霧和溫濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上等功能。該系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái),實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人24 h可隨時(shí)查看客戶(hù)端了解實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前狀況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常參數(shù)時(shí),實(shí)驗(yàn)室與微信小程序?qū)?huì)同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的安全隱患,并提醒實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員與負(fù)責(zé)人實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)程度,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員與負(fù)責(zé)人可根據(jù)實(shí)際情況選擇針對(duì)性保護(hù)措施。從而可避免一些不必要的危險(xiǎn)發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和云平臺(tái)監(jiān)測(cè)中心組成。實(shí)驗(yàn)室終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心,通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、有毒氣體、火焰和人員進(jìn)出情況等信息。云平臺(tái)監(jiān)測(cè)中心與終端采集系統(tǒng)建立連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制核心,STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)是由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)在上電后單片機(jī)就可以正常復(fù)位與下載程序。在確保最小系統(tǒng)正確的基礎(chǔ)上,可合理添加功能或模塊使單片機(jī)具有實(shí)際功能。

2.2 溫濕度采集模塊

系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集溫度和濕度。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,其應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,可以和單片機(jī)直接相連。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單總線(xiàn)方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。

2.3 煙霧采集與有毒氣體采集模塊

系統(tǒng)采用MQ系列傳感器對(duì)煙霧和有毒氣體進(jìn)行采集,分別使用MQ2與MQ135。MQ2是常用的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置,適用于煙霧等氣體的探測(cè)。而MQ135則是常用的有毒氣體監(jiān)測(cè)裝置,具有代表性,價(jià)格低,使用壽命長(zhǎng),敏感度極佳,主要用于測(cè)量空氣中的硫化物、氮氧化物、氨氣、酒精、苯系蒸汽等。

MQ系列氣體傳感器都屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料,是表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)與某種氣體接觸時(shí),會(huì)引起其表面導(dǎo)電率的變化。某種氣體的濃度越大,導(dǎo)電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號(hào)就越大[2]。

MQ系列傳感器常用電路有兩種:一種采用比較電路監(jiān)控,另一種為ADC電路檢測(cè)。本系統(tǒng)采用ADC電路檢測(cè)。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,公式換算,便可以得到具體的氣體濃度。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)使用OLED顯示屏作為顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。OLED顯示具有許多優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的LCD顯示不同,它可以自發(fā)光,所以不需要背光燈。這在降低功耗的同時(shí)也使OLED顯示屏比LCD顯示屏更薄,視角更廣,顯示效果更優(yōu)。OLED顯示屏還擁有非常高的對(duì)比度與極高的反應(yīng)速度。其內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306,通信方式為IIC。

2.5 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)使用ESP8266作為Wi-Fi模塊。ESP8266是一個(gè)Wi-Fi透?jìng)髂K,具有3種工作模式:STA(Station)模式、AP(Access Point)模式和 STA+AP模式[3]。STA+AP模式即可以在兩種模式下切換的狀態(tài)。本系統(tǒng)使用STA模式,在STA模式下該模塊可以連接到當(dāng)前環(huán)境的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的終端(站點(diǎn))。該模式對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議中的客戶(hù)端。

2.6 火焰檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行火焰檢測(cè)。物體燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰是由各種燃燒生成物、高溫氣體、碳?xì)湮镔|(zhì)等高溫固體微顆粒構(gòu)成?；鹧?zhèn)鞲衅魇峭ㄟ^(guò)紅外光電二極管檢測(cè)這燃燒產(chǎn)生的火焰發(fā)出紅外輻射,當(dāng)火焰大小發(fā)生變化時(shí),火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗也會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)火焰越大,其導(dǎo)電率越大,輸出電阻就越小。其工作方式有兩種,可以通過(guò)DO口輸出數(shù)字信號(hào)1和0,也可以通過(guò)AO口輸出模擬信號(hào)。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)檢測(cè)。

2.7 紅外人員檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行人員檢測(cè),人體體溫一般為恒定的37 ℃,會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)為10 μm左右的紅外線(xiàn)。熱釋電紅外傳感器則對(duì)此波長(zhǎng)的紅外輻射十分敏感。由于只對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外輻射敏感,所以其抗干擾性較為良好。當(dāng)有人進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍時(shí),其導(dǎo)電率發(fā)生變化,傳感器輸出高電平。當(dāng)人在其感應(yīng)范圍內(nèi)持續(xù)活動(dòng)時(shí),則會(huì)一直輸出高電平直至人離開(kāi)其感應(yīng)范圍。只需檢測(cè)電平的跳變即可判讀出是否有人進(jìn)入該傳感器的檢測(cè)范圍。使用兩塊該傳感器,通過(guò)檢測(cè)電平跳變的時(shí)間差即可判斷人員的進(jìn)或出。

2.8 報(bào)警模塊

系統(tǒng)使用蜂鳴器作為發(fā)聲元件進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器兩種類(lèi)型。系統(tǒng)使用的是自帶震蕩源的有源蜂鳴器,只需要給其供電即就會(huì)工作。蜂鳴器采用直流電壓進(jìn)行供電,由于蜂鳴器的工作電流一般比較大,需采用三極管來(lái)放大電流從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)、云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)和客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)3部分。

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程,編程軟件為Keil uVision5。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)制定軟件系統(tǒng)方案,綜合考慮各個(gè)模塊的功能及使用目的,單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)可分為主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)。在主程序中進(jìn)行一系列模塊工作的初始化,子程序部分采用模塊化編程的方法,各模塊分別為溫濕度采集模塊子程序、煙霧與有毒氣體采集模塊子程序、顯示模塊子程序、報(bào)警模塊子程序、火焰檢測(cè)模塊子程序、紅外人員檢測(cè)模塊子程和Wi-Fi模塊子程序。

主程序設(shè)計(jì)思路為首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,然后調(diào)用各個(gè)子程序中的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。在接收到各模塊的數(shù)據(jù)后對(duì)各模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,判斷是否超過(guò)所設(shè)定的溫度、煙霧濃度、有毒氣體濃度的閾值和是否發(fā)生火災(zāi)。根據(jù)結(jié)果判斷是否進(jìn)行報(bào)警,最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使用的平臺(tái)為ONE NET云平臺(tái),選擇的接入?yún)f(xié)議為EDP協(xié)議。

ONE NET云平臺(tái)是由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。在接入云平臺(tái)時(shí)首先需要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品,選擇接入?yún)f(xié)議。本系統(tǒng)選擇的增強(qiáng)設(shè)備協(xié)議(Enhanced Device Protocol,EDP),該協(xié)議為ONE NET云平臺(tái)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)定制的一個(gè)基于TCP的完全公開(kāi)協(xié)議,然后創(chuàng)建設(shè)備,記錄設(shè)備ID等信息。在編寫(xiě)Wi-Fi模塊子程序時(shí),將需要用到這些信息與ONE NET云平臺(tái)建立TCP連接。實(shí)現(xiàn)連接后便可開(kāi)始數(shù)據(jù)流的創(chuàng)建與數(shù)據(jù)點(diǎn)的上傳。完成后可以在ONE NET云平臺(tái)上看到上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)[4]。

數(shù)據(jù)通信(Wi-Fi模塊)采用的是ESP8266模塊。其工作時(shí)采用STA模式接收路由器信來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。再通過(guò)EDP協(xié)議與云服務(wù)器建立TCP連接,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。其工作流程如圖3所示。

圖3 Wi-Fi工作流程

3.3 客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用微信小程序作為客戶(hù)端,使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為微信開(kāi)發(fā)者工具。微信與傳統(tǒng)App相比,在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)App所有基本功能的同時(shí)還擁有無(wú)需安裝,多終端適配,開(kāi)發(fā)周期短,試錯(cuò)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

用戶(hù)在使用客戶(hù)端時(shí),需要保證手機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)網(wǎng)成功后客戶(hù)端會(huì)自動(dòng)嘗試與服務(wù)器進(jìn)行連接,連接成功后將會(huì)彈窗提示“連接成功”。若連接失敗客戶(hù)端則會(huì)不斷嘗試與服務(wù)器進(jìn)行連接直到成功為止。客戶(hù)端界面能實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前人數(shù),還可以通過(guò)微信小程序遠(yuǎn)程操控報(bào)警,如圖4所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)異常狀況時(shí),微信小程序?qū)⑼綀?bào)警提醒用戶(hù)。

圖4 客戶(hù)端界面

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)后,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)正常啟動(dòng)后各個(gè)模塊可以正常工作。溫濕度采集模塊與煙霧和有毒氣體檢測(cè)模塊得到的數(shù)據(jù)成功在OLED屏上顯示,OLED屏顯示界面,如圖5所示。同時(shí),溫濕度數(shù)據(jù)、氣體濃度數(shù)據(jù)與人員數(shù)據(jù)都會(huì)上傳至云服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)可以在ONE NET云平臺(tái)中查看。當(dāng)檢測(cè)到超出所設(shè)定的閾值的異常數(shù)據(jù)時(shí),蜂鳴器將會(huì)發(fā)出警報(bào),與此同時(shí)微信小程序進(jìn)行同步報(bào)警。在微信小程序中可看到前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前人數(shù)。

圖5 OLED屏界面

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器基于云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)報(bào)警的功能。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試表明,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)測(cè)、煙霧和有毒氣體監(jiān)測(cè)、火焰監(jiān)測(cè)、人員進(jìn)出情況統(tǒng)計(jì)等功能,且可以在PC端ONE NET云平臺(tái)和微信小程序中查看這些數(shù)據(jù)?；谠破脚_(tái)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求,具有很強(qiáng)的實(shí)用性,不僅使實(shí)驗(yàn)室管理更加高效,還可以有效控制危險(xiǎn)事故所造成的損失,對(duì)于實(shí)驗(yàn)室安全具有重要意義。