基于Arduino與LabVIEW的智能化學實驗室安防系統

曾曉楠 熊丹 韋鑫 王春偉 徐俊

（1.合肥工業大學宣城校區計算機與信息學院 安徽省宣城市 242000）

（2.合肥工業大學宣城校區電氣與自動化工程學院 安徽省宣城市 242000）

（3.合肥工業大學宣城校區機械工程學院 安徽省宣城市 242000）

化學實驗室是化學教學和研究的重要基地，是新時代下培養高素質化學人才，創造高水平研究成果的重要場所。而化學實驗室藥品試劑不僅種類繁多，而且特性也各不相同，一旦保存不當，易發生爆炸、有毒氣體泄漏等嚴重事故，因此保證實驗室的安全是第一要務。本文主要提出一種新型智能安防系統，利用LabVIEW虛擬儀器的特點，通過VISA配置相關參數，將下位機采集到的化學實驗室溫濕度、氣體濃度等環境數據以圖形化分析方法直觀的顯示在上位機界面，形成一個針對化學實驗室環境的數據分析處理網。實驗室管理員可在PC端查看數據處理結果，也可借助ESP8266連接物聯網平臺實現遠程數據訪問。當發生火災、氣體泄漏、入竊等安全隱患時，下位機會以蜂鳴器報警，GPRS無線通訊系統也將向實驗室管理員發送緊急預警短信，實現對實驗室的安全監控，從而減少事故發生所造成的損失。

1 系統總體設計方案

安防系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要有火焰傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器、人體近紅外模塊、OpenMV攝像頭、蜂鳴器、SIM800C、APC220、ESP8266模塊；軟件部分分為上位機LabVIEW軟件編程和下位機Arduino編程，上位機與下位機之間通過無線數據傳輸模塊APC220進行通信。

整個系統由五部分組成，分別是環境感知系統、顯示系統、防盜系統、數傳系統、LabVIEW上位機。圖1為控制系統整體結構圖。

（1）環境感知系統主要負責采集化學實驗室環境的相關數據，包括測量實驗室的溫濕度、氣體濃度、光照強度等信息，為微處理器Arduino Mega 2560 控制提供依據。主要使用了火焰、溫濕度、煙霧、空氣質量等傳感器。

（2）防盜系統主要負責對化學實驗室來訪人員進行記錄，對陌生人闖入進行報警，主要由OpenMV攝像頭、人體近紅外模塊等構成。

（3）顯示系統負責對單片機處理過的數據進行顯示，以便清晰地了解實驗室環境，將數據動態顯示在顯示屏上，主要模塊包括LCD顯示屏，指示燈等。

圖2：下位機軟件系統流程圖

（4）數傳系統是實驗室管理員和下位機之間連接的橋梁，能夠傳輸實驗室環境數據，若有災情發生以GPRS短信發送的方式告知管理員，實驗室管理員也可通過訪問第三方物聯網平臺實時查看實驗室數據，及時做出反饋，這一部分主要由SIM800C、ESP8266以及無線傳輸模塊APC220組成。

（5）LabVIEW上位機是整個控制系統的關鍵部分，主要負責以圖表、曲線的形式清晰的將化學實驗室相關環境數據展現在PC端，從而遠程監控實驗室的環境變化。

2 系統硬件設計

2.1 APC220模塊

圖3：LabVIEW上位機界面

這款模塊嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，配合1個USB轉換器可以實現電腦與單片機之間通訊，具有優良的抗干擾性能，在空曠地帶其傳輸距離可以在1000米以上，可以滿足安防系統無線傳輸數據的要求。

2.2 SIM800C模塊

這是一款四頻GSM/GPRS模塊，性價比高,可實現遠距離通信，當發生緊急情況時，Arduino單片機通過串口對GPRS模塊發送AT指令，裝有SIM卡的SIM800C會給預先設定的應急聯系人撥打手機號碼或發送短信，從而及時對化學實驗室發生的災情報警。

2.3 氣體傳感器

負責化學實驗室氣體檢測的傳感器主要是煙霧傳感器（MQ-2）和空氣質量傳感器（MQ-135），二者均為MQ系列傳感器，該系列傳感器多采用半導體類氣敏材料，如采用二氧化錫半導體氣敏材料的MQ-2型煙霧傳感器會隨著煙霧濃度的增大而輸出更大的模擬信號。而MQ-135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監測也很理想，因而非常適合應對化學實驗室內的復雜情況。

2.4 OpenMV機器視覺模塊

OpenMV是一個功能強大的開源機器視覺模塊，集成了OV7725攝像頭芯片，內置Micro Python解釋器，可以用其完善的機器視覺算法進行圖像處理，還可以通過Haar算子快速進行人臉識別，從而對實驗室來訪人員進行拍照記錄。

2.5 ESP8266

選取的通訊模塊為ESP8266系列中的NodeMCU模塊，通過對其固件的燒錄、透傳等操作使其與貝殼物聯、阿里云、百度智能云等公共物聯網平臺進行Webconfig配置，使該設備自動與平臺連接，進行數據的傳輸交互。實驗室管理員若想遠程查看化學實驗室的相關數據，便可通過Web瀏覽器進入第三方物聯網平臺進行數據訪問。

3 系統軟件設計

3.1 下位機Arduino軟件設計

下位機為微控制器Arduino Mega 2560，該型號單片機擁有54路數字輸入/輸出端口，16路模擬輸入端口，4路UART串口，資源豐富，可以滿足安防系統的設計要求。由于化學實驗室使用的化學危險試劑很多都是易燃易爆有毒物品，實驗過程中操作不當或環境因素變化都很容易造成安全事故。故在下位機軟件設計時，給相應的環境參數設立一定閾值，一旦超過設定的閾值，系統便會報警，從而達到安防的目的。下位機軟件系統流程圖如圖2所示。

3.2 上位機LabVIEW界面設計

為能夠在LabVIEW界面上清晰地反映數據，需通過編程的方式將LabVIEW和傳感器采集的數據聯系起來。LabVIEW的主程序框架由事件結構、順序結構以及While循環結構組成。首先添加配置串口函數VISA Configure Serial Port，并設置4個數值常量，參數值分別為9600（波特率）、8（數據位）、0（校驗位，無奇偶）、1（停止位），再把緩沖區中的字節數讀取到屬性節點中，然后程序進入While循環和事件結構，不斷地監測是否有事件得到相應并執行。通過兩個布爾類型的變量來控制實現不同的條件結構，在前面板顯示的是讀取和寫入按鈕控件，用戶可根據自己的需求按下不同的按鍵來選擇發送還是接收數據。在VISA讀取函數中，將不同意義的數據進行分類，數據便可以波形圖表、儀表等形式展現在前面板。主界面將安防系統監測到的數據整體顯示在一個界面上，方便化學實驗室管理員清晰地查看實驗室環境數據。LabVIEW上位機界面如圖3所示。

4 結語

在Arduino與LabVIEW的基礎上設計的智能化學實驗室安防系統經實踐后，成功搭建了實驗室環境監測與預警平臺，實現了對溫濕度、氣體濃度、光照強度等環境數據的實時采集、記錄，并圖形化顯示在上位機LabVIEW界面上，從而幫助實驗室管理員清晰地掌握實驗室數據，及時采取相應措施，最大程度地減小化學實驗室發生安全事故的可能性。