朱婧瑋

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

2023 年2 月，教育部辦公廳印發(fā)《高等學(xué)校實驗室安全規(guī)范》，提出“高校實驗室建設(shè)和使用應(yīng)認(rèn)真貫徹落實國家各項安全相關(guān)法律法規(guī)，保障實驗活動安全有序進(jìn)行”，并指出學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)實驗室安全建設(shè)與管理，加強(qiáng)安全物資保障，配備必要的安全防護(hù)設(shè)施和器材，建立能夠保障實驗人員安全與健康的工作環(huán)境［1］。基于此，本研究設(shè)計出對學(xué)校實驗室環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)測的系統(tǒng)，為校園實驗室安全管理提供幫助。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

學(xué)校實驗室環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F103C 8T6 為主控芯片，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對學(xué)校實驗室環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)測，包括對室內(nèi)的環(huán)境溫濕度、可燃?xì)怏w、一氧化碳、人員數(shù)量進(jìn)行檢測，通過門禁對進(jìn)出實驗室人員的身份進(jìn)行核驗，攝像頭可提供全方位、可視化的實時監(jiān)控，同時根據(jù)現(xiàn)場采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，適時啟動排風(fēng)、空調(diào)裝置。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超限時，系統(tǒng)會進(jìn)行報警。所有檢測數(shù)據(jù)可通過WiFi 模塊上傳到系統(tǒng)上位機(jī)，在控制室Web 端頁面顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場視頻，檢測超限報警提示，并存儲歷史數(shù)據(jù)［2-4］。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路

系統(tǒng)主控制電路選用的是STM32F103C8T6 芯片，其具有32位ARM Cortex-M內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，并提供豐富的I∕O 端口、通信接口和外設(shè)配置，能快速響應(yīng)，且功耗低。

2.2 電源電路

電源模塊的電路輸入電壓為AC 220 V，根據(jù)系統(tǒng)供電需求，電源電路輸出電壓為DC 12 V、5 V、3.3 V，線性電源的穩(wěn)定性高，輸出紋波小，為系統(tǒng)主控電路、測量電路等供電。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路示意

2.3 溫濕度檢測電路

該系統(tǒng)采用DHT11 數(shù)字溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測。芯片2 腳與STM32 的PA11 端口進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸。溫濕度檢測電路如圖3所示。

圖3 溫濕度檢測電路示意

2.4 可燃?xì)怏w檢測電路

采用MQ-2 氣體傳感器檢測可燃?xì)怏w，可檢測液化氣、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等氣體，其由加熱電阻和感應(yīng)電阻組成，檢測電路如圖4所示。

圖4 可燃?xì)怏w檢測電路示意

2.5 一氧化碳檢測電路

選用MQ-7 氣體傳感器檢測一氧化碳，該傳感器以二氧化錫（SnO2）為氣敏材料。電路如圖5所示。

圖5 一氧化碳檢測電路示意

2.6 人數(shù)檢測電路

使用光電傳感器電路檢測人數(shù)。光電傳感器電路由4 個DY-ITR8402 紅外對射式光電傳感器及周邊電路組成，如圖6所示。

圖6 室內(nèi)人數(shù)檢測電路示意

2.7 無線模塊

采用ESP8266 無線傳輸模塊進(jìn)行無線傳輸。該系統(tǒng)選用STA 模式，通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)將ESP8266 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNet 中，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲和展現(xiàn)。

2.8 攝像頭模塊

選用具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，將其安裝在實驗室內(nèi)墻中線位置高處，便于觀察室內(nèi)情況。采用720P∕160°廣角攝像頭，通過串口通信方式與主控電路連接。

2.9 門禁電路

選用南京納奇NQ-05刷卡密碼門禁系統(tǒng)，可實現(xiàn)對進(jìn)入實驗室人員的精準(zhǔn)管控。

2.10 顯示電路

選用淘晶馳串口HMI屏作為系統(tǒng)的顯示電路，用于在室內(nèi)顯示實驗室環(huán)境溫濕度、當(dāng)前人數(shù)、可燃?xì)怏w檢測值、一氧化碳檢測值等信息。

2.11 報警電路

選用SYN6288 語音模塊，通過PA2、PA3 端口來傳送數(shù)據(jù)，置高電平時啟動報警電路，語音報警。

2.12 排風(fēng)和空調(diào)電路

排風(fēng)電路和空調(diào)電路為系統(tǒng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)實驗室內(nèi)人員較多，導(dǎo)致室內(nèi)空氣混濁、溫濕度超限或檢測到可燃?xì)怏w、一氧化碳?xì)怏w時，系統(tǒng)會自動打開排風(fēng)電機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行通風(fēng)換氣，并調(diào)節(jié)室溫。排風(fēng)電路、空調(diào)電路如圖7所示。

圖7 排風(fēng)電路、空調(diào)電路示意

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是基于ARM 嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的，傳感器用于采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，將溫濕度檢測數(shù)據(jù)通過單總線上傳至主控芯片、可燃?xì)怏w檢測和一氧化碳檢測數(shù)據(jù)直接輸送到主控芯片的ADC 端口，主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和處理，通過液晶屏來顯示環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，并驅(qū)動輸出外設(shè)，同時用WiFi 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。在Keil5.0 環(huán)境中，按照系統(tǒng)功能對程序進(jìn)行分模塊設(shè)計，用C 語言來完成系統(tǒng)軟件設(shè)計［5］。

4 系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)

4.1 開發(fā)環(huán)境

在QT5 軟件中完成對系統(tǒng)上位機(jī)登錄界面和主控顯示界面的制作。將STM32 數(shù)據(jù)采集板的數(shù)據(jù)通過WiFi 上傳至系統(tǒng)上位機(jī)，上位機(jī)采用SQL LITE 數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)信息。上位機(jī)每1 min 更新一次數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查看。

4.2 Web端設(shè)計

系統(tǒng)Web 端是在MVC 框架中采用QT、C++語言編寫的。QT 登錄注冊模塊可實現(xiàn)用戶注冊和不同用戶的登錄操作，User_info 表結(jié)構(gòu)見表1。系統(tǒng)使用人員在按照分配的賬號、密碼進(jìn)行系統(tǒng)登錄后，可進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)控界面。

表1 User_info表結(jié)構(gòu)

QT 傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)登錄人員對傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查看，并顯示當(dāng)前日期、時間、實驗室編號。SenSor_Num 表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 SenSor_Num表結(jié)構(gòu)

用戶在成功登錄Web頁面后，可查看各項檢測數(shù)據(jù)，通過攝像頭可實時監(jiān)控畫面，數(shù)據(jù)每1 min更新一次。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超限時，將會報警提示。同時，會將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便用戶隨時調(diào)取、查看歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計了基于STM32 的實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過DHT11 溫濕度傳感器、MQ-2 可燃?xì)怏w傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、人數(shù)檢測電路來采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，通過WiFi 模塊向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，利用QT5 來實現(xiàn)用戶在客戶端注冊登錄，用戶可查看顯示界面實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)能實現(xiàn)上述功能，從而有效提高學(xué)校實驗室安全管控效率。