基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統設計*

鄧 鵬

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北荊門 448000）

0 引言

隨著物聯網和智能控制技術的發展和人們對智能化管理的重視，基于物聯網和云平臺的智能化電子產品逐漸應用在我們的生活、工作和學習中。高校的實驗室是大學老師和學生進行科研和學習的重要場所，其重要性和安全性也倍受到社會關注。高校是實驗室相對集中的地方，實驗室數量大、儀器種類和數量繁多。隨著近幾年許多高校的發展和規模的擴大，實驗室數量和種類也在逐年增加，實驗室管理者工作量也逐漸增大，傳統的實驗室管理方法已無法滿足現有的實驗室安全管理要求，如何研究并設計一種網絡化智能實驗室安全管理系統非常有必要。為了保障實驗室安全運行，本文研制了基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統，能滿足現代實驗室安全管理的需求。

1 系統總體方案設計

本系統采用模塊化設計方案[1-2]，系統硬件主要由STM32單片機最小控制系統模塊、火災檢測模塊、RFID射頻識別模塊、溫濕度檢測模塊、NB-IOT模塊等構成。軟件主要包括單片機控制程序、手機端App程序、云平臺配置程序等[3-4]。基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統對實驗室的溫濕度、火災情況、人員進出情況等數據進行監測，并將數據上傳到云平臺，實驗室管理人員可以隨時通過手機App實時了解實驗室安全狀況，并及時做出處理。系統的總體方案框如圖1所示。

圖1 系統的總體方案框圖

系統軟件部分采用Keil uVision5和Java eclipse進行編寫，App界面包括用戶注冊功能、采集數據實時顯示功能、歷史數據查詢功能等。數據信息發送過程為：

（1）傳感器采集實驗室環境數據，送到單片機；

（2）單片機將數據進行分類存儲，并送到NB-IOT模塊；

（3）NB-IOT模塊通過COAP協議和云平臺交互數據；

（4）云平臺實時刷新并轉發數據。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路包括單片機最小系統、液晶顯示模塊、RFID射頻模塊、蜂鳴器模塊及煙霧報警模塊。RFID電子標簽里記載著進出實驗室人員的相關信息，通過RFID射頻模塊識別來自射頻單元的信息并加以處理。RFID射頻模塊將進出實驗室人員信息發送至單片機[5-6]。傳感器系統實現對實驗環境的檢查，判斷實驗室的環境指數是否正常，如果不正常時將進行報警，并反饋給實驗室管理員，以便實驗室管理員及時處理，這樣能極大程度地減少意外事件的發生，減少實驗室設備等財產的損失。實驗室的環境指數通過云平臺可以達到信息可視化且隨時可以查看實驗室的信息。

2.1 STM32單片機最小控制系統電路設計

本系統以STM32F103C8T6C8T6單片機作為整個硬件電路的控制核心。該單片機片內資源豐富、存儲容量大、主頻高、價格便宜。STM32F103C8T6單片機開發方便簡單，內部集成有ADC、DAC、FLash存儲器等資源。最小系統電路采用8 MHz晶振提供主時鐘，32.768 kHz晶振提供實時時鐘。本設計中利用STM32F103C8T6單片機對傳感器采集到的數據進行處理后，將數據通過NB-IOT無線模塊發送到云平臺。

2.2 傳感器檢測電路設計

傳感器的功能主要是檢測實驗室環境參數，送入單片機處理后向平臺提供準確、實時信息，便于實驗室管理人員對實驗室情況做出準確判斷。本文中傳感器檢測電路包括溫濕度檢測電路和煙霧濃度檢測電路。采用DHT11數字傳感器檢測溫度和濕度，DHT11內部已校準，只有4個引腳，接線簡單，1號引腳接3.3 V，2號腳接單片機的I/O口PA3，3號腳懸空，4號腳接地。攝氏溫度測量范圍：0～50℃；攝氏溫度測量精度：±1～±2℃；相對濕度測量范圍：20%～90%RH；相對濕度測量精度：±2%～±5%RH，測量范圍和進度符合本設計的要求。DHT11輸出的是數字量，送到STM32F103C8T6后，需要經過變換，才能得到實際溫濕度值。

MQ-2傳感器是一種半導體可燃氣體敏感元件[7-8]。如果可燃氣體濃度增加，MQ-2的電導率也會增加，電路主要由MQ-2傳感器、信號前置放大電路、模數轉換電路構成。火災檢測電路輸出的是模擬量，接到單片機的PB0引腳，經過單片機ADC轉換可以得到氣體濃度值。本電路電源部分采用+5 V電壓供電。煙霧濃度檢測電路如圖2所示。

圖2 煙霧濃度檢測電路

2.3 RFID射頻識別電路設計

本設計中射頻識別芯片采用MFRC522，MFRC522是3.3 V電源供電的低功耗芯片，利用電磁感應識別信息，并進行數據通信，外圍電路簡單，體積小，性價比高，在本設計中的作用是檢測實驗室人員進出情況。MFRC522通過SPI串口和單片機連接，本設計中MFRC522的MISO、MOSI、SCK、SDA引腳分別接到單片機的PA4、PA5、PA6、PA7引腳相連。RFID檢測電路如圖3所示。

圖3 RFID檢測電路

2.4 NB-IOT模塊外圍電路設計

NB-IOT具有功耗低、應用范圍廣等特點。本設計中NB-IOT節點采用上海移遠公司的BC26模塊，BC26模上提供有UART、SPI等多種串行通信接口，支持TCP、COAP、MQTT等多種通信協議，能方便使用者二次開發，在上面實現數據遠程傳輸。本設計中采用COAP通信協議方式傳輸數據，單片機采集數據，并進行處理后，數據通過串口發送到BC26模塊。BC26模塊將數據傳送到華為OceanConnect物聯網云平臺[9-10]，接收到的數據經過分類存儲、管理后，用戶可以通過手機App查詢云平臺的數據信息。BC26模塊與STM32F103C8T6單片機通過UART串口連接，NB-IOT傳輸數據采用透明傳輸方式。BC26模塊接口電路如圖4所示。

圖4 BC26模塊接口電路

2.5 電源電路設計

為了保證系統在突然斷電情況下仍然能夠持續穩定運行，本系統采用市電220 V供電和鋰電池供電兩套方案。主電源由一個220 V轉5 V的開關電源提供，開關電源輸出的+5 V電壓分成兩路，一路給單片機外圍接口電路供電，如給小型繼電器模塊、NB-IOT模塊供電，另一路采用LM1117-3.3芯片轉換為+3.3 V給單片機控制板供電。備用電源由一塊3.7 V鋰電池提供電能，包括升壓電路部分和穩壓電路兩部分。鋰電池升壓電路采用TPS63020作為電壓控制芯片，TPS63020芯片輸入電壓為1.8～5.5 V，具有自動升降壓功能能，保證輸出電壓值穩定。TPS63020電源電路最大輸出電流可以達到2 A，可以根據輸入自動升高電源或降低電壓，靜態電流小于50μA，電路具有體積小、供電穩定等優點。

3 系統軟件設計

本系統軟件采用采用自頂向下的設計方式實現。軟件分為App界面設計部分和采集數據管理設計部分。App界面設計部分分為登錄部分和用戶注冊部分，采集數據管理部分包括實時數據查詢部分和歷史數據查詢部分。各數據采集節點的通信程序是本系統的軟件部分設計的核心內容，本設計的通信協議采用COAP。COAP是物聯網中常用的一種web協議，協議包長度最小長度只有4 Byte。COAP協議通過消息的方式發送或接收數據。COAP協議支持可靠數據傳輸，通信雙方通過確認傳輸的數據是否正確，如果錯誤就重傳，采用這種方式來確保數據是否傳輸正確，數據傳輸誤碼率低，因此，COAP協議非常適合作為本系統的通信協議。

NB-IOT模塊上電后，STM32單片機通過串口發送命令的方式對NB-IOT模塊進行配置，發送“AT+NRB”指令讓NB-IOT模塊初始化；發送AT+CFUN指令判斷卡電路連接是否工作正常；發送“AT+CSQ”指令查詢NBIOT模塊信號的強度，執行該指令后，NB-IOT模塊會返回一個表示信號強度的參數，如果參數值在0～31，表示有信號，數值越大，信號越強，如果返回值為99，表示無信號；發送“AT+CGATT”指令查詢是否附著基站。如果能達到這些要求，NB-IOT模塊開始進行數據傳輸。NB-IOT模塊入網流程如圖5所示。

圖5 NB-IOT模塊入網流程

4 系統測試

系統設計好后，需要進行一些測試，如硬件測試和軟件測試。打開裝置電源，先用串口助手進行調試，先將NB-IOT模塊的串口接到PC機的串口上，按接入網路的流程，向NB-IOT模塊發送指令。NB-IOT模塊入網成功后，在手機App上填寫連接地址、端口號、用戶名、密碼，然后登錄到App客戶端。在App上能實時顯示出實驗室環境參數和歷史數據，并可以通過App控制裝置上的繼電器，從而控制實驗室總電源開關切斷或接通電源。手機上顯示的傳感器檢測數據如圖6所示。

圖6 手機上顯示的傳感器檢測數據

5 結束語

本文設計的基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統具有功耗低、實時性好、傳輸數據穩定等特點，適用于無人值守的實驗室管理和遠程管理，有效保障實驗室安全運行。利用NB-IOT模塊將檢測到的數據傳輸到云平臺及手機客戶端，使實驗室管理人員能及時了解實驗室環境情況并進行處理。同時，本設計項目也能用于高校物聯網相關專業的實驗實訓教學中，本設計中采用的STM32單片機與傳感器模塊、NB-IOT模塊結合構成一個實用的控制系統，學生通過學習，能讓他們掌握相關專業知識的具體應用，提高工程應用能力。