實驗室門電安全監控系統的設計

彭輝麗, 李 真, 蔡本曉, 魏高堯

(1.杭州電子科技大學 a.理學院；b.自動化學院，杭州 310018；2.浙江工業大學 理學院，杭州 310023)

0 引 言

高校公共物理實驗室承擔著全校理工科大學物理實驗課程，實驗室有各種重要昂貴的實驗儀器，而這些實驗室的特點是開放時間長，進出人員多，儀器使用頻率高，儀器老化快。在實驗室無人值守的情況下，電閘未關閉可能會導致用電設備長時間通電工作而造成損壞，甚至發生火災；門未及時鎖上使非實驗室人員在實驗室無人情況下隨意進出，造成一些不必要的事故[1-2]。目前的管理方案是人工排查，費時費力，而且可能存在遺漏。現有的實驗室安防系統多為在實驗室供電條件下的安防檢測，主要包括現場溫度、濕度、煙霧等，大多基于有線網絡完成數據的通信，需要專門進行布線和工程改造，擴展性不佳，成本也較高[3-7]。實驗室門禁管理系統通常只能記錄刷卡開門的時間，而不能監測到實驗室在無人時門是否鎖上。因此，實驗室的安全管理十分重要，能夠實時監控獲取有效的實驗室安全信息并及時響應，將具有十分重要的意義。

本文主要介紹一種由傳感器、單片機和無線傳感器技術組成的檢測實驗室電閘和鎖門狀態的門電安全監控系統。該系統的主要優勢為在無需更換防盜門鎖和改造電閘內部電路的前提下，在電閘和門鎖鎖芯外圍安裝壓力薄膜傳感器，實現對電閘以及門開關的狀態進行檢測。該設備由具有檢測功能的從機節點和具有顯示報警功能的主控中心組成，利用壓力薄膜傳感器檢測電閘和門的狀態，通過STM32單片機結合ZigBee協議實現數據處理與通信[8]，巡查者不再需要進入每間實驗室查看電閘及門的狀態，就能直接從主控中心的TFT液晶顯示屏上得知每個實驗室電閘的開關狀態和門的狀態，而且準確性高。利用干電池對放在實驗室做監測的單片機供電，無需外接其他電源，更加安全[9]。此設備既省去了巡查實驗室的時間，又提高了檢查效率，且成本相對較低。

1 系統總體設計

系統由主控中心和從機中心兩部分組成。主控中心由單片STM32F103ZET6控制，主要功能是顯示從機中心發回的各實驗室門鎖和電源的開關狀態的信息，如果在設定的時間段內有實驗室的電閘未關斷或門未上鎖，則主控中心蜂鳴器報警，相應的LED燈亮[10]。從機中心的各從機節點均由STM32F103C8T6單片機控制，當FSR壓力薄膜通電后作為敏感元件與待測目標(電閘開關或門鎖)進行交互，壓膜電阻改變，經電阻-電壓轉換模塊得到電壓信號[11]，輸送給單片機；STM32單片機為兩路電信號設置相應的電壓閥值，兩路電信號通過STM32內部AD將兩路電信號轉換成為數字信號后，與閥值進行比較從而進行分析判斷；然后將判斷結果通過ZigBee無線網絡技術以接力通信的方式將每個實驗室的信息發送到主控中心。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統設計框圖

圖2為該智慧門電安全監控系統的系統通信流程圖，整個系統分主控中心和從機中心兩套硬件系統。從機中心由若干個相同的從機節點組成，各從機節點按距離遠近分別安裝在實驗室相應的位置，各從機節點之間以接力通信的方式將要采集的全部信息發送回主控中心。主控中心屏幕放置在實驗中心辦公室以液晶屏幕實時顯示各實驗室電閘及門鎖開關狀態。

圖2 系統通信流程圖

2 硬件部分設計

2.1 主控模塊

該系統主控中心功能為接收數據并顯示、報警，考慮到TFT液晶顯示屏需要大量I/O口，主設備選用STM32F103ZET6芯片作為主機主控芯片。從機各節點功能為采集、處理、發送數據，為考慮未來的功能拓展，選用I/O口較多的STM32F103C8T6芯片作為從機主控芯片。STM32F103系列芯片為32 bit基于ARM核心的帶64 KB或128 KB字節閃存的微控制器，工作頻率可達72 MHz，2.0～3.6 V供電，包含-40～+85 °C溫度范圍和-40～+105 °C的擴展溫度范圍[12-13]。一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。內嵌2個12位的模擬/數字轉換器(ADC)，每個ADC共用多達16個外部通道，可以實現單次或掃描轉換，可以供門鎖和電閘的數據采集模塊使用。

2.2 電閘狀態檢測模塊

壓阻式壓力薄膜傳感器用于檢測電閘開關的狀態。圖3所示為壓力薄膜放置的實物圖。

由于電閘開關對電閘塑料外殼的壓力小于1 N，所以選取了0～1 N范圍壓力薄膜。壓力薄膜固定于電閘關斷的一端，當電閘關斷后，電閘手柄恰好壓住壓力薄膜，壓力薄膜就會受到一個1 N以內的法向力，這時薄膜的電阻發生了變化，通過電阻-電壓轉換模塊將此變化轉換為電壓變化，然后將電信號傳送給單片機[14]。

圖4所示為該模塊的電路原理圖。用3 V的電壓激勵，反相比例放大電路結構，基于傳感器電阻和反饋電阻的變化產生模擬信號輸出。模數轉換器把模擬信號轉為數字信號輸出。靈敏度由反饋電阻Rf和電壓UT進行調整。降低反饋電阻和電壓會使靈敏度下降，但可使量程增大[15]。根據實驗室需檢測的電閘數量，可增加檢測模塊。

圖4 檢測模塊電路原理圖

2.3 門狀態的檢測模塊

壓阻式壓力薄膜傳感器用于檢測門的狀態。三元乙丙發泡橡膠粘在鎖扣盒內起緩沖作用，壓力薄膜選取0～4.9 N范圍，固定于三元乙丙發泡橡膠上，防止壓力薄膜受力過大被壓斷。當門反鎖后，反鎖扣壓住壓力薄膜，相當于給壓力薄膜施加了縱向壓力，從而導致壓力薄膜中的電阻發生變化，通過電阻-電壓轉換模塊將此變化轉換為電壓變化，然后將電信號傳給STM32單片機。圖5所示為壓力薄膜放置實物圖，黑色凹槽是內嵌在門框上的鎖扣盒。該模塊電路原理圖同圖4。

圖5 壓力薄膜放置實物圖

2.4 無線通信模塊—ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用[16]。

該系統利用ZigBee技術，采用的ZigBee模塊實際測試的直線傳輸距離達100 m以上，穿墻情況下完全可以實現一個實驗室長度的傳輸距離。使用2.4 GB頻段并自動中轉上一級的網絡節點傳過來的數據資料，從而實現多個網絡節點的長距離數據傳輸[17]。

根據系統設計要求，選擇無線收發芯片要考慮如下因素：收發芯片所需的外圍元件數量；收發芯片的封裝和管腳數；收發功率。本文選用了CC2530芯片。CC2530它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530集成了業界領先的RF收發器，有多種運行模式，各模式之間轉換時間十分短，功耗很低，這些特點十分符合本系統靠電池供電的要求[18]。

2.5 主控中心顯示

顯示電路選取了TFT液晶顯示屏，其具有亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷等特點。圖6所示為實際監測結果在TFT液晶屏上的顯示，初始化設置所有電閘和門為關。當主機接收到從機發送過來的數據后，在液晶屏上實際顯示電閘和門的開關狀態，“關”則顯示黃色字體；“開”則顯示紅色字體，起警示作用。

圖6 主控中心顯示效果圖

2.6 報警電路

報警電路由蜂鳴器和LED燈兩部分組成，在設定時間檢測實驗室電閘及鎖門狀態后，若有實驗室電閘未斷開或門未反鎖，則蜂鳴器響，對應LED燈亮。電路原圖如圖7所示。

圖7 報警電路原理圖

3 軟件設計部分設計與實現

根據系統對測量節點設計要求，軟件需要實現對數據的采集和將采集的數據發送到控制主機這兩大功能。從機中心包含多個從機節點，各節點負責將傳感器采集到的數據上傳給單片機，執行單片機下達的指令，發送相應的地址、數據和同步碼[19-20]。在通信部分，這些終端節點的程序功能是一致的，其程序設計工作流程如圖8所示。

圖8 從機中心發送段軟件流程

主控中心主要負責接收從機節點發回的數據，在設定的時間段內，主機上電后首先初始化顯示屏，然后等待接收數據，判斷各從機節點電源開關是否按下，門是否鎖上，屏幕顯示各實驗室的門鎖和電源的開關狀態。如果在設定的時間內接收到門未上鎖或電源未關的信息，報警電路進行報警提示。主機程序設計工作過程流程如圖9所示。

圖9 主控中心發送段軟件流程

4 結 語

基于ZigBee技術的實驗室門電安全監控系統結構簡單，功耗少，成本低且無需對實驗室內部電路網絡進行工程改造，安裝方便，并能有效監測到實驗室門鎖和電閘開關狀態。利用干電池對各模塊控制系統供電，實驗室完全斷電的情況下仍能正常工作，十分安全。經過多次測試，該系統穩定可靠，可在設定的時間段內準確地監測到實驗室電閘以及門鎖的關斷狀態，從而大大提高了實驗室的安全管理效率。目前我校物理實驗中心的實驗室已按照上述系統進行全面升級改造，效果良好。