高校實驗室環境安全智能監控系統設計

張慧穎，陳玲玲，吳 博

（1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.新代科技（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在“互聯網+”、大學生創新創業等大形勢下，高校人才培養目標更傾向于素質教育，因而對大學生的實踐能力和創新工程能力的培養尤為重要。為了更好地踐行我院提出的“三三制”人才培養方案，我院實驗室建設采取開放式原則。高校實驗室是進行科研和教研的重要場所，也是學生進行實踐和實訓課程的主要基地，更是學生利用課余時間進行科技小組學習的重要場所[1-3]。因此，實驗室安全問題是實驗室工作中的重中之重，尤其是在實驗室開放后，實驗室環境、防火和防盜等問題就更為重要。如何能更好地管理實驗室，實時掌握實驗室內的環境安全信息，及時發現實驗室內的異常情況，并最大限度地降低異常情況帶來的損失，已成為我院實驗室管理工作中的重點。在此背景下，本文以智能監測為出發點，采用STM32單片機為核心，設計出具有全智能/手動安全模式的雙模式實驗室內環境監控系統。本系統融合多路傳感器采集技術，以實現對實驗室的安全智能監測。

1 系統總體設計思路

本系統整合6 種傳感器，實現自動檢測實驗室內環境的各項指標并可以對采集信息進行及時處理。系統正常工作時，通過檢測環境溫濕度、光照強度及氣體指標等和用戶的按鍵指令進行相應的動作執行。由中央處理器進行裁決后，做出相應的控制響應。并且控制器可以根據環境指標數據，執行緊急事故處理、危機救護等急救控制，充分滿足用戶的需要。該系統有以下兩點突出特點：

（1）設計人體紅外檢測電路、溫濕度檢測電路、LCD 顯示電路、可燃氣體檢測電路、光照強度檢測電路、火焰檢測電路、語音系統電路等，采用反饋觸發控制的方式對室內大燈、窗簾、房門等進行控制。同時在安防方面加入了防盜報警、火災報警等，發生警報時，系統會自動采取應急消防措施，并發送語音報警信息，實時性強。

（2）設計出全智能/手動安全模式一鍵切換的功能，全智能模式全程無須人為干預即可實現全部家電的觸發反饋控制（利用6 路傳感器采集環境量），同時兼顧部分特定或緊急條件下需要全程手動控制的場景，設計了手動安全模式，該模式保留安全型家居設施的自動控制（如火災預警、排風系統等）[4-8]，系統總體結構框架如圖1 所示。

圖1 系統總體結構框圖

系統通過檢測各項參數指標（如氣體濃度、光照強度、溫濕度、PM2.5）判斷實驗室內環境安全系數，監測結果經由MCU 裁決后控制繼電器，使繼電器開關可以安全高效地控制執行機構；同時傳給終端（固定終端或手持終端）實時顯示，對于超過安全指標的項目進行報警，在最大限度上減少安全事故的發生。

2 硬件電路設計

硬件電路以STM32F103C8T6 單片機作為主控制芯片，設計了報警電路、人體紅外檢測電路、溫濕度檢測電路、LCD 顯示電路、有害氣體檢測電路、光照強度檢測電路、火焰檢測電路、語音報警電路、按鍵電路和電源電路。其中單片機采用8 MHz 高精度晶振以獲得穩定的時鐘頻率，減小測量誤差。

2.1 環境指標采集電路設計

對比幾種方案，實驗室內溫濕度檢測電路采用數字化模塊DHT11 實現。傳感器部分包括一個感濕元件和一個測溫器件，與單片機相連，抗干擾能力強，響應快[9]。設計時，DHT11 的DATA 引腳與STM32 的PB12 引腳相連，溫濕度檢測電路如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測電路

對于實驗室內液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等氣體的探測，采用可燃氣體探測器MQ-2實現。將MQ-2 的AO 端與單片機的PA2 引腳相連，采用單片機內部自帶的AD 模塊實現采集信號的模數轉換[10-11]，有害氣體檢測電路如圖3 所示。

圖3 有害氣體檢測電路

采用人體熱釋電傳感器實現有無人通過檢測。當檢測到有人經過時，發出信號給MCU，由MCU 控制房門（自動感應門）的開合，并經由軟件設計使開合速度符合人性化使用習慣?？刂埔_為PA12，人體紅外接口電路如圖4 所示。

圖4 人體紅外接口電路

采用專用PM2.5 傳感器實現室內PM2.5 檢測。檢測原理是光檢測到一定區域內導電物質的導電率以及光線在固形物中的折射率，轉化為模擬信號，再由STM32 中AD 轉換成數字量，最后經過固定的法則轉換為國際通用單位，進而在顯示終端進行顯示。傳感器與單片機系統連接的兩個引腳分別是控制LED 燈光的PA1 和控制PM2.5 濃度輸出端的PA0，PM2.5 檢測電路如圖5 所示[12]。

圖5 PM2.5 檢測電路

室內光照強度檢測采用光敏電阻作為檢測元件。光敏電阻一端與10 kΩ 分壓電阻相連，另一端接地，輸出端接單片機的PC10 引腳。采用紅外接收管完成火焰檢測電路設計，可以檢測波長在760 ～1100 nm 的光源。由于光電管接收到的火焰信號比較微弱，因此需要放大轉換后送入單片機完成后續信號處理，光照強度和火焰檢測電路如圖6 所示[13]。

圖6 光照強度和火焰檢測電路

2.2 控制機構電路設計

設置STM32 的IO 口的高低電平，可以使電路對應的三極管導通或截止，以此控制繼電器線圈是否通電?？刂茖ο蠓謩e為空調、房門、窗簾、空氣凈化器。設計中，水泵采用12 V 直流進行供電。當發生火警時，ARM 控制該繼電器吸合，水泵電源接通，此時會噴水將火熄滅，實現滅火，并配有蜂鳴器報警電路，繼電器控制電路如圖7 所示。

為了便于后續擴展，本電路板還加入了電源擴展接口，以便各個模塊之間的電源相互連接。

圖7 繼電器控制電路

2.3 窗簾電機驅動電路設計

本系統可根據光照強度實現對窗簾的控制。通過STM32 驅動電機，電機控制齒輪，拉動鏈條從而達到控制窗簾開合的目的。采用L298N 高功率驅動板完成電機的驅動，L298N 可以1 次驅動兩個直流電機或一個步進電機。L298N 芯片輸出信號經由二極管傳遞給電機，即可由程序控制電機運行。窗簾電機驅動電路如圖8 所示。

圖8 窗簾電機驅動電路

2.4 語音電路設計

采用JQ8400 語音系統，語音建模儲存至Flash，用串口通信輸入16 進制代碼操作語音指令，達到人性化控制的目的。其與STM32 相連的分別是RX、TX和BUSY 引腳，其中RX、TX 引腳用于語音模塊的通信，BUSY 引腳用于檢測忙信號，芯片SPK+和SPK-分別接擴音器的正負極，JQ8400 語音電路原理如圖9所示。

圖9 JQ8400 語音電路原理

2.5 其他電路設計

系統采用串行接口、16 位的真彩TFT 彩色液晶屏。用戶可以根據自己實際的需要進行設置?？刂埔_用四線控制，分別是SCK（PA5），SDA（PA7），AO（PC15）、RST（PC14），TFT 串口屏接口原理如圖10 所示。

系統設有4 個按鍵，分別是KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，依次連接STM32 的B1、B10、B11、C13，控制智能家居的運行狀態。KEY1 控制報警閾值切換，KEY2 控制閾值增加，KEY3 控制閾值減小，KEY0 控制中英文語音模式切換。

圖10 TFT 串口屏接口原理

系統采用5 V 供電，可以由移動電源或者由電池組經過2 A 的升壓模塊提供；3.3 V 供電，采用AMS1117-3.3 實現。

3 系統軟件設計

系統采用C 語言進行程序編寫，采用模塊化思想，便于后續程序移植。其中STM32 為核心，子程序包括可燃氣體檢測、人體紅外檢測、光照強度檢測、溫濕度檢測、火焰檢測、初始化子程序、中斷子程序、定時器子程序、顯示和按鍵子程序、語音播報子程序等。系統初始化后，首先對環境的各項指標進行采集并及時處理。如果室內有超標現象，則由STM32 裁決后，做出相應的控制響應，主程序流程如圖11 所示。

語音系統程序設計主要是利用USB 口拷入特定語音，支持FAT16、FAT32 文件系統。通過UART 串口指令或一線串口指令即可完成播放指定的語音，中英文語音播報內容設計如圖12 所示。

圖11 主程序流程

4 實驗測量結果

系統模型采用8 節（板子背部有4 節）AA 堿性電池或5 V 標準電壓進行供電，使用電池時其驅動電流尤為重要，整個系統運行過程中預計工作時驅動電流650～850 mA（繼電器驅動需約200 mA，屏幕驅動需約90 mA，6 路傳感器驅動共需約210 mA，語音系統3 W 喇叭驅動需約200 mA，其他功耗約50 mA），4 節干電池兩兩并聯經過USB 升壓模塊進行升壓，升壓后驅動電壓5.33 V，驅動電流約1100 mA，工作時待機電流為260 mA，電源系統符合要求。經過對硬件電路的制作和反復調試，然后將編譯好的程序下載到單片機進行測試。此時，環境溫度，濕度的實際值已由其他儀器獲取，氣體濃度、PM2.5 等參數經過三個同類傳感器和同樣精度的A/D（12 位）取均值作為實際值，與測量值比對。另外還要測試整個系統的反饋控制情況，即指定環境指標高于或低于閾值時，控制面板的響應情況及語音提示系統的精確程度。最后需要測試系統較長時間運行是否穩定。智能檢測系統實物如圖13 所示。

以下是采用環境智能監控系統對我院實驗室檢測所得出的測量結果及實驗結果。

圖12 中英文語音播報內容設計

圖13 智能檢測系統實物圖

測試時間：2019 年6 月1 日星期六中午12:30

測試地點：學校第三教學樓420 實驗室

溫度測試：由水銀溫度計測出與實際值（智能監測系統結果）對比

濕度測試：由干泡溫度計和濕泡溫度計測出與實際值對比

PM2.5 測試：用激光式PM2.5 模塊多次測試取平均值

氣體濃度測試：用多個MQ-2 模塊多次測量取平均值

各項環境指標測量結果見表1。

采用智能監測系統開展的模擬特定場景響應實驗統計見表2。

表1 各項環境指標測量結果統計表

從多次測量結果可以看出，實際值與測量結果的誤差在±2%范圍內，基本滿足本次設計的精度要求。在傳感器滿足精度要求的基礎上進行了系統整體運行狀態的測試實驗。本設計模擬了幾個常見的實驗室環境場景，通過測試，系統反應精準快速，達到設計要求。

表2 模擬特定場景響應實驗統計表

5 結語

為了給學生營造一個更好的實驗環境，有效配合實驗室管理人員完成實驗室的日常管理工作，設計一款基于STM32 的實驗室環境安全智能監測系統。系統以STM32F103C8T6 為核心控制器，融合多傳感器技術實現人體紅外檢測、溫濕度檢測、火焰探測、可燃氣體檢測和光照強度檢測等環境信息的實時探測，當檢測到數值超標時，系統及時驅動執行機構并報警，防患于未然。經過現場測試，系統各項功能工作正常，系統工作穩定、反應速度快、誤差小、實時性好，基本達到預期目的，具有較強的實用價值。