金煒翔 賴忠喜

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 浙江省臺(tái)州市 318000）

1 引言

高校實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、科研創(chuàng)新的重要場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)室里存放著大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、精密的科研儀器、危險(xiǎn)的化學(xué)藥品等，而且實(shí)驗(yàn)室使用頻繁，一旦發(fā)生意外，嚴(yán)重威脅到科研人員和學(xué)生人身安全的同時(shí)，也會(huì)給高校帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失，實(shí)驗(yàn)室的安全問題已成為實(shí)驗(yàn)室工作中的重中之重，目前我國(guó)大部分高校實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在如下不足：一是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式單一，需要好幾套系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控所有功能，缺少集中化、綜合化等優(yōu)點(diǎn)，二是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)采用短信報(bào)警的方式來提醒實(shí)驗(yàn)室發(fā)生災(zāi)情，而管理人員不知道實(shí)驗(yàn)室所發(fā)生報(bào)警時(shí)的實(shí)時(shí)畫面，三是實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)信息化程度低，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境無法實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題，為此本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)預(yù)警、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控、防盜、智能門禁、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理實(shí)驗(yàn)室各種安全隱患，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安全性差、監(jiān)控功能不完善等問題。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1 為一種基于STM32 的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、門禁模塊、聲光報(bào)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(gòu)成，控制器模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)，然后根據(jù)所采集的這些參數(shù)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制，使實(shí)驗(yàn)室處在一個(gè)舒適的環(huán)境下，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)上報(bào)給阿里云服務(wù)器，云服務(wù)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)終端APP 上，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)報(bào)警的情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片并將照片和報(bào)警信息等相關(guān)數(shù)據(jù)推送至云服務(wù)器和手機(jī)APP 上，管理人員在阿里云平臺(tái)和手機(jī)APP 上都能看到實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息和所拍攝的現(xiàn)場(chǎng)照片等信息，同時(shí)也可通過手機(jī)APP 也可對(duì)實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1： 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器模塊的選擇

控制器模塊采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于CORTEX M4 內(nèi)核的STM32F407ZGT6 單片機(jī), 該單片機(jī)功能強(qiáng)大，主時(shí)鐘高達(dá)168MHZ，具有192KB SRAM、1024KB FLASH、2 個(gè)DMA 控制器（共16 個(gè)通道）、3 個(gè)SPI、3 個(gè)IIC、6 個(gè)串口、17 個(gè)定時(shí)器、2 個(gè)CAN、3 個(gè)12 位精度的ADC、1 個(gè)FSMC 接口、1 個(gè)RTC 以及114 個(gè)通用IO 口等資源，而且其內(nèi)部還自帶有數(shù)字?jǐn)z像頭接口(DCMI)，能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算與控制，非常適合在此場(chǎng)合應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)，包括光照度檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊、火焰檢測(cè)模塊、震動(dòng)傳感檢測(cè)模塊和人體紅外檢測(cè)模塊。其部分電路原理圖如圖2 所示，光照度檢測(cè)模塊采用BH1750 光強(qiáng)度傳感器，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，供電電壓為3-5V，傳感器內(nèi)置16bitAD 轉(zhuǎn)換器，省略復(fù)雜計(jì)算和標(biāo)定，通過相應(yīng)的指令操作即可讀取出內(nèi)部存儲(chǔ)的光照度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 總線，按照時(shí)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(shù)據(jù)采集模塊部分電路原理圖

溫濕度檢測(cè)模塊采用的DHT11數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，其輸出的溫濕度就是數(shù)字量，電路中不需使用A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度精度±2℃，測(cè)量范圍 0～50℃，空氣相對(duì)濕度±5%RH，測(cè)量范圍為20～90%RH。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器連接方法很簡(jiǎn)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(jī)的PB14 引腳與作為數(shù)據(jù)端口的DHT11 的第二引腳相連接，同時(shí)為了保護(hù)單片機(jī)的I/O 口和防止信號(hào)干擾，在PB14 引腳上接一個(gè)5K 的上拉電阻。

可燃?xì)怏w檢測(cè)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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，其輸出的電壓數(shù)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(hào)，與單片機(jī)的PF7 相連接，采用單片機(jī)自帶的12 位A/D 模塊實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

震動(dòng)傳感檢測(cè)模塊采用SW-420 型震動(dòng)傳感模塊，該模塊以輸出引腳的高低電平來判斷震動(dòng)的檢測(cè)狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到外部有振動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，其輸出引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平，信號(hào)指示燈亮起。并且可以通過調(diào)節(jié)模塊的變位器調(diào)節(jié)模塊的靈敏度，降低模塊誤報(bào)率。傳感器的輸出引腳與STM32 單片機(jī)的 PB15 相連接，其電路原理圖如圖2(d)所示。

火焰檢測(cè)模塊采用Risym 火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760 納米～1100 納米范圍內(nèi)的紅外光源，探測(cè)角度60 度左右，對(duì)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(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電流大小的變化，然后經(jīng)過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊后變成數(shù)值的變化。人體紅外檢測(cè)模塊采用由HC-SR501 人體紅外感應(yīng)傳感器，該傳感器也是通過輸出引腳的高低電平來判斷實(shí)驗(yàn)室來人狀況。

3.3 繼電器模塊的設(shè)計(jì)

繼電器模塊電路原理圖如圖3 所示，由于單片機(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此采用三極管放大來驅(qū)動(dòng)繼電器，為避免信號(hào)之間的相互干擾，系統(tǒng)采用開關(guān)光耦將輸出通道進(jìn)行隔離，當(dāng)STM32 單片機(jī)的PG6 輸出為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，三極管Q4 飽和導(dǎo)通，D11 指示燈點(diǎn)亮，繼電器線圈通電從而控制執(zhí)行設(shè)備電氣回路導(dǎo)通啟動(dòng)工作；當(dāng)PG6 輸出為高電平時(shí)，光耦截止，三極管Q4 處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器線圈不通電，執(zhí)行設(shè)備電氣回路斷開不執(zhí)行動(dòng)作。

圖3： 繼電器模塊電路原理圖

3.4 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源模塊主要為系統(tǒng)的各個(gè)元器件提供電源，本系統(tǒng)中各個(gè)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(jī)和電磁門進(jìn)行供電，采用明緯開關(guān)電源將交流220V 轉(zhuǎn)為直流12V，該開關(guān)電源具有短路、過負(fù)載和過壓的保護(hù)功能，具有體積小，效率高和可靠度高等優(yōu)點(diǎn)。直流12V 轉(zhuǎn)5V 的轉(zhuǎn)換芯片采用RT7272B 電源轉(zhuǎn)換器，RT7272B 是一種高效率，電流模式同步降壓型DC / DC 轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)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(gè)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(gè)RC 網(wǎng)絡(luò)接地，用于補(bǔ)償調(diào)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(dòng)傳感檢測(cè)模塊、火焰檢測(cè)模塊繼電器模塊和顯示模塊供電，直流5V 轉(zhuǎn)3.3V 采用LM1805-3.3 線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)， LM1085 是一款單芯片集成的電壓轉(zhuǎn)換器，提供3A 電流輸出，具備過流和過溫保護(hù)，具有可靠的工作性能、較高的工作效率。3.3V 電源主要負(fù)責(zé)給控制器模塊、WIFI通信模塊、攝像頭模塊等進(jìn)行供電。

圖4： 電源模塊電路原理圖

3.5 攝像頭模塊的設(shè)計(jì)

攝像頭模塊采用Omni Vision 公司生產(chǎn)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(yīng)用。OV264 攝像頭模塊引出的排針接口如圖5 所示，STM32 單片機(jī)通過IIC 總線與OV2640 配置端口（SCCB）連接，對(duì)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(jìn)行設(shè)置，通過自帶的DCMI 總線接口與OV2640 攝像頭DVP 接口相連接，對(duì)攝像頭采集到的圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行控制輸出，本系統(tǒng)設(shè)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(shí)現(xiàn)輸出圖像數(shù)據(jù)。

圖5： 攝像頭模塊原理圖

3.6 Wi-Fi通信模塊的設(shè)計(jì)

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(jī)的PB10、PB13、PB12 和PB10 相連，其中RXD 和TXD 作為數(shù)據(jù)的收發(fā)引腳；RST 引腳連接復(fù)位信號(hào)，低電平時(shí)復(fù)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?jìng)鞴δ軐?shù)據(jù)進(jìn)行上傳。

圖6： Wi-Fi 通信模塊電路原理圖

3.7 其它模塊的設(shè)計(jì)

顯示模塊主要用于顯示數(shù)據(jù)采集模塊采集到的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也顯示按鍵密碼鎖、指紋識(shí)別的提示信息和設(shè)置實(shí)驗(yàn)室各環(huán)境參數(shù)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(qū)動(dòng)，該芯片直接自帶 GRAM，無需外加驅(qū)動(dòng)器，該LCD 采用16 位8080 并口，觸摸屏采用IIC 接口與STM32 單片機(jī)進(jìn)行通信，

門禁模塊采用指紋識(shí)別技術(shù)和按鍵密碼的兩種識(shí)別方式實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的認(rèn)證，指紋識(shí)別模塊采用AS608 指紋識(shí)別模塊，AS608 指紋識(shí)別模塊中內(nèi)置DSP 運(yùn)算單元，集成了指紋識(shí)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(shí)別過程。用戶不必再去研究復(fù)雜的指紋識(shí)別算法，節(jié)省時(shí)間，只需通過模塊配備的串口按照通訊協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)按鍵密碼鎖的功能，模塊引出的8 個(gè)引腳與STM32 單片機(jī)的GPIO 口連接，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其相關(guān)功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shí)，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括GPIO 端口初始化、串口初始化、定時(shí)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(shè)置實(shí)驗(yàn)室各環(huán)境參數(shù)的動(dòng)作閾值和報(bào)警閾值，然后數(shù)據(jù)采集模塊采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)，之后處理門禁系統(tǒng)的請(qǐng)求和TFT 液晶屏的顯示，控制器根據(jù)所采集的實(shí)驗(yàn)實(shí)的環(huán)境參數(shù)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，如當(dāng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)連接云服務(wù)器，同時(shí)上傳實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)到云服務(wù)器，云服務(wù)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP 上，接著系統(tǒng)判斷是否有報(bào)警事件發(fā)生，報(bào)警事件包括：

圖7： 系統(tǒng)主程序流程圖

（1）環(huán)境參數(shù)超出報(bào)警閾值；

（2）指紋識(shí)別錯(cuò)誤次數(shù)超過三次；

（3）密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過三次；

（4）有非法入侵者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室；

（5）發(fā)生火災(zāi)等報(bào)警事件。

如發(fā)生報(bào)警，系統(tǒng)馬上會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)攝像頭模塊進(jìn)行拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，然后通過Wi-Fi 無線通信模塊連接到阿里云服務(wù)器，并將實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、拍攝的照片和報(bào)警信息上傳到阿里云平臺(tái)，系統(tǒng)使用對(duì)象存儲(chǔ)OSS（Object Storage Service）的云儲(chǔ)存服務(wù)存儲(chǔ)所拍攝的照片，通過API 接口將所傳送來的圖片數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP 上,在阿里云平臺(tái)和手機(jī)APP 上都能看到實(shí)驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息和所拍攝的現(xiàn)場(chǎng)照片，接著系統(tǒng)會(huì)判斷云服務(wù)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(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，若沒有系統(tǒng)則重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的采集，進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)行。

為在實(shí)驗(yàn)室工作的老師和同學(xué)提供一個(gè)舒適的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略為：

（1）當(dāng)實(shí)驗(yàn)室采集的溫度或者濕度超出設(shè)定的閾值時(shí)，則打開空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度控制在人舒適的范圍內(nèi)。

（2）當(dāng)實(shí)驗(yàn)室采集的光照度高于設(shè)定的最高閾值時(shí)，關(guān)閉照明裝置并且驅(qū)動(dòng)窗簾系統(tǒng)關(guān)閉窗簾以降低室內(nèi)光線，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室采集的光照度低于設(shè)定的最低閾值時(shí)，打開照明裝置并且驅(qū)動(dòng)窗簾系統(tǒng)拉開窗簾增強(qiáng)室內(nèi)光線。

（3）當(dāng)實(shí)驗(yàn)室采集的可燃性氣體濃度高于設(shè)定閾值時(shí)，開啟排風(fēng)裝置。

（4）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，則開啟滅火裝置。

手機(jī)APP 應(yīng)用程序使用阿里云自帶的IoT Studio 的移動(dòng)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(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)源關(guān)聯(lián)，無需編程，即可將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上接入的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。APP 的測(cè)試界面如圖8 所示。

圖8： APP 測(cè)試界面

5 總結(jié)

為了給實(shí)驗(yàn)室的師生提供一個(gè)安全舒適的教科研環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，設(shè)計(jì)一款基于STM32 的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各種實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的突發(fā)事件，降低了實(shí)驗(yàn)室管理員的工作難度，提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性和管理水平，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。