黃秋萍,陳海云,葉 凱

(浙江師范大學物理與電子信息工程學院,浙江 金華 321004)

在“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”的新時代背景下,培養(yǎng)思維活躍、具有創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的創(chuàng)新型人才已成為高等學校人才培養(yǎng)的基本要求。培養(yǎng)創(chuàng)新能力和綜合實踐能力的本質(zhì)就是鼓勵學生多動手、多實踐,在實踐中促進學生綜合能力的協(xié)調(diào)發(fā)展,高校實驗室是實驗和實踐教學的重要場所,更是學生鍛煉動手能力的重要基地。為了更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,高校實驗室在常規(guī)的實驗教學外,提供了各種廣度和深度的開放服務(wù)[1-2],部分高校還增設(shè)了各類創(chuàng)新實驗室,為學生提供競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的孵化基地。實驗室開放力度的加大及各類創(chuàng)新實驗室的建立在促進學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的同時,也使實驗室安全、防火防盜等管理工作面臨極大的挑戰(zhàn)。實驗室安全問題是實驗室工作的重中之重[3-4]。目前現(xiàn)有的智能產(chǎn)品和防護系統(tǒng)通常只側(cè)重于某一方面,如溫濕度的檢測、有害氣體監(jiān)測、智能安防報警等,缺少不同功能系統(tǒng)的整合,尤其是與智能斷電功能的整合。

為了更好地管理實驗室,針對實驗室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能斷電及防盜報警等現(xiàn)實需求,本文設(shè)計了一款多功能實驗室環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng),通過人體感應(yīng)實時統(tǒng)計實驗室內(nèi)人數(shù)。在工作模式下,根據(jù)人數(shù)是否為零自動開啟或關(guān)閉電源,實現(xiàn)節(jié)能控制功能;系統(tǒng)可實時監(jiān)測和顯示實驗室的溫度、濕度、可燃氣體濃度等參數(shù),同時兼具日歷和時鐘功能。系統(tǒng)處于防護模式時,若檢測到實驗室內(nèi)人數(shù)不為零,則系統(tǒng)通過SIM短信模塊向設(shè)定的管理員手機發(fā)送報警短信。不管是工作模式還是防護模式,可燃氣體超標時,系統(tǒng)將立即啟動聲音和短信報警,從而實現(xiàn)實驗室的智能安全防護。

1 系統(tǒng)設(shè)計

實驗室環(huán)境智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的主要模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,硬件連接原理圖如圖2所示。主控模塊采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機,具有高速、低功耗和超強抗干擾等優(yōu)點,用以實現(xiàn)對多種環(huán)境參數(shù)量的采集、運算和顯示的控制,并實現(xiàn)與短信模塊的通信。

圖1 系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件連接原理圖

環(huán)境參數(shù)檢測模塊包括DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和MQ-5氣體傳感器。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,可靠性和穩(wěn)定性高,具有成本低、響應(yīng)快、抗干擾能力強、精確校準等優(yōu)點。溫度測量范圍-20～+60 ℃,測量誤差±2 ℃,濕度測量范圍為5%～95%,測量誤差為±5%[5,6]。DHT11的DATA信號與單片機的P0.5引腳相連,單片機依據(jù)DHT11輸出時序格式讀取溫濕度數(shù)據(jù)。MQ-5氣體傳感器以電導(dǎo)率較低的SnO2作為氣敏材料,對甲烷的檢測有很高的靈敏度,檢測濃度范圍可達300～10 000 ppm[7-10]。MQ-5的AO輸出模擬信號接單片機的P1.5引腳,利用單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,供LCD顯示。

SIM短信模塊采用SIM900A,支持2G、3G和4G手機卡,插入手機卡即可自動連接網(wǎng)絡(luò),該模塊體積小巧、功耗低,支持短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)送彩信、DTMG、HTTP、FTP、PPP撥號等功能。SIM900A模塊板載工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊,支持900/1800Mhz雙頻工作頻段,可以低功耗實現(xiàn)語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)的傳輸[11-14]。單片機通過RXD、TXD與SIM900A相連,串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令控制SIM短信模塊發(fā)送設(shè)定好的短信內(nèi)容至指定管理員手機。

人體感應(yīng)系統(tǒng)由超聲波模塊HC-SR04和微型紅外熱釋電模塊SR602組成。超聲波模塊HC-SR04可實現(xiàn)2-400cm的非接觸式距離感測功能,測量精度為3 mm[15]。微型紅外熱釋電模塊SR602能在0～5 m范圍內(nèi)感測到人體發(fā)射的紅外信號,可實現(xiàn)對移動人體的感應(yīng)檢測[16]。系統(tǒng)設(shè)計在門外和門內(nèi)分別安裝一組SR602紅外熱釋電模塊與HC-SR04超聲波模塊,超聲波模塊通過測量距離變化感知門框中物體存在,再由紅外熱釋電模塊確認是人體,兩者組合使用進行雙重判斷,能更準確地檢測到人體,防止誤判。同時,超聲波輔助檢測可彌補紅外熱釋電傳感器對靜止人體紅外信號不敏感的不足。通過門內(nèi)外兩組人體感應(yīng)信號出現(xiàn)的先后順序可判定人員的進出狀況,從而實現(xiàn)對實驗室內(nèi)人數(shù)的實時統(tǒng)計。門內(nèi)外SR-602模塊的OUT信號分別接單片機的P0.3和P0.4引腳,兩組HC-SR04模塊的Trig和Echo信號分別連單片機的P1.4、P1.3和P3.6、P3.7引腳。

此外,該系統(tǒng)還配置有時鐘模塊DS1302,用于生成日歷和時間信號供單片機讀取顯示,增強實用性。DS1302模塊的CLK、DAT和RST信號分別連接單片機的P1.0、P1.1和P1.2引腳,單片機采用同步串行方式讀取模塊數(shù)據(jù)。顯示模塊是常用的LCD1602,用于顯示日期、時間及其它環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息。

智能控制系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示,系統(tǒng)每隔2 s采集一次人體感應(yīng)和環(huán)境數(shù)據(jù),根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)置的“工作”或“防護”模式,綜合判斷并做出響應(yīng)。

圖3 系統(tǒng)控制軟件流程圖

處于工作模式時,根據(jù)實驗室內(nèi)人數(shù)是否為零來控制燈光開關(guān)和電源輸出。實驗室內(nèi)人數(shù)為零時,系統(tǒng)控制延時關(guān)燈并停止部分電源輸出,檢測到人數(shù)不為零時自動恢復(fù)供電。處于防護模式時,默認實驗室內(nèi)人數(shù)為零,若系統(tǒng)檢測到人數(shù)不為零,則報警器發(fā)出聲音警報,同時向設(shè)定的手機發(fā)送入侵報警短信?？扇細怏w濃度超標時,在兩種模式下都能立即啟動聲音和短信報警,從而實現(xiàn)安全防護功能。

2 結(jié)果分析

設(shè)計完成的實驗室環(huán)境智能監(jiān)控樣機系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實驗室環(huán)境智能監(jiān)測控制樣機系統(tǒng)實物圖

工作模式下的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示,LCD1602顯示的內(nèi)容從左至右第一行依次為年、月、日、星期、室內(nèi)人數(shù)、當前模式和可燃氣體濃度,其中“N”表示工作模式,防護模式時顯示為“K”;第二行為時間、溫度和濕度。圖5(a)所示為實驗室內(nèi)人數(shù)為零,系統(tǒng)檢測到有人進入時,人數(shù)加一,開啟實驗室內(nèi)電源(樣機中以白色LED點亮指示),如圖5(b)所示。人數(shù)再次減為零后,白色LED將延時40 s后熄滅,即延時關(guān)閉室內(nèi)電源。

(a) 人數(shù)為零

防護模式下的監(jiān)測結(jié)果如圖6所示,正常狀態(tài)下實驗室內(nèi)人數(shù)應(yīng)為零,如圖6(a)所示;若監(jiān)測到實驗室內(nèi)人數(shù)不為零,如圖6(b)所示,則意味著有人入侵,系統(tǒng)將在現(xiàn)場通過蜂鳴器發(fā)出警報,同時發(fā)送短信至管理員手機,如圖7(a)所示。若可燃氣體的監(jiān)測結(jié)果超標,不管是在工作模式還是防護模式下,系統(tǒng)都將同時開啟聲音報警和短信報警,短信報警內(nèi)容如圖7(b)所示。經(jīng)測試,該系統(tǒng)能有效檢測和記錄實驗室內(nèi)人數(shù),異常報警及時可靠,同時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測準確。

(a) 人數(shù)為零

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款實驗室環(huán)境智能監(jiān)測控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過人體感應(yīng)實時統(tǒng)計實驗室內(nèi)人數(shù),在工作模式下實現(xiàn)對實驗室照明和其它電源系統(tǒng)的智能控制,以達到節(jié)能環(huán)保的目的。系統(tǒng)在防護模式時,可根據(jù)室內(nèi)人數(shù)判斷實驗室環(huán)境是否正常,異常狀態(tài)時通過短信向管理員報警。在節(jié)能控制與智能防護功能之外,系統(tǒng)同時具備萬年歷功能,可以顯示日期、時間、溫度和濕度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù),并能對可燃氣體進行實時監(jiān)測,當氣體濃度超標時會立即通過聲音和短信向管理員報警。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,環(huán)境參數(shù)檢測準確可靠,適用于實驗室,尤其適用于各類開放實驗室和創(chuàng)新實驗室,可以有效配合實驗室的安全管理工作,具有較大的實用價值,同時也能為學生提供一個安全可靠、自由度更高的良好的實驗環(huán)境,在新時代背景下助力高校培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。