基于云平臺的智能實驗室安全監測系統

徐子涵,耿麗清,徐世緣,劉宇璽

(天津職業技術師范大學 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室,天津 300222)

0 引言

實驗室是各大高校教學與科研創新的主要場所。由于高校實驗室人流量大,學生安全意識淡薄,近年來在實驗室因操作不當、實驗設施老舊、設備運行超負荷、無色無味有毒氣體或由不可控的惡劣氣候導致的火災、爆炸、中毒、觸電等危險事故頻發。為此各大高校都十分重視實驗室的安全與管理。而目前市場上沒有一款經濟,高效的產品可以監測實驗室安全情況。為了能夠更加高效的管理實驗室,減輕實驗室工作人員的負擔,提高實驗室的安全系數,降低危險事故所造成的損失。本文設計并開發一款基于云平臺的智能實驗室安全監測系統。

該系統運用單片機技術、傳感器技術、云平臺技術以及客戶端編程等相關技術,實現對實驗室內人員進出、火災情況、有毒氣體、煙霧和溫濕度等信息進行實時監測,同時將結果顯示在液晶顯示屏上等功能。該系統會將數據上傳至云平臺,實驗室負責人24 h可隨時查看客戶端了解實驗室當前狀況。當監測到異常參數時,實驗室與微信小程序將會同時進行報警。該系統能有效監測實驗室內部的安全隱患,并提醒實驗室內部人員與負責人實驗室的危險程度,實驗室內部人員與負責人可根據實際情況選擇針對性保護措施。從而可避免一些不必要的危險發生。

1 系統總體設計

系統由實驗室終端數據采集系統和云平臺監測中心組成。實驗室終端數據采集系統以STM32單片機為控制核心,通過傳感器實時采集實驗室的溫度、濕度、有毒氣體、火焰和人員進出情況等信息。云平臺監測中心與終端采集系統建立連接并實現數據的傳輸。系統如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

本系統采用STM32F103C8T6單片機作為控制核心,STM32單片機最小系統是由電源電路、復位電路、時鐘電路組成。單片機最小系統在上電后單片機就可以正常復位與下載程序。在確保最小系統正確的基礎上,可合理添加功能或模塊使單片機具有實際功能。

2.2 溫濕度采集模塊

系統采用DHT11數字溫濕度傳感器采集溫度和濕度。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器,其應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,包含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,可以和單片機直接相連。DHT11數字溫濕度傳感器具有成本低、性能穩定、響應超快、抗干擾能力強、數字信號輸出、精確校準等優點[1]。DHT11數字溫濕度傳感器采用單總線方式與單片機進行通信。

2.3 煙霧采集與有毒氣體采集模塊

系統采用MQ系列傳感器對煙霧和有毒氣體進行采集,分別使用MQ2與MQ135。MQ2是常用的氣體泄漏監測裝置,適用于煙霧等氣體的探測。而MQ135則是常用的有毒氣體監測裝置,具有代表性,價格低,使用壽命長,敏感度極佳,主要用于測量空氣中的硫化物、氮氧化物、氨氣、酒精、苯系蒸汽等。

MQ系列氣體傳感器都屬于二氧化錫半導體氣敏材料,是表面離子式N型半導體。當與某種氣體接觸時,會引起其表面導電率的變化。某種氣體的濃度越大,導電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號就越大[2]。

MQ系列傳感器常用電路有兩種:一種采用比較電路監控,另一種為ADC電路檢測。本系統采用ADC電路檢測。經過模數轉換電路,公式換算,便可以得到具體的氣體濃度。

2.4 顯示模塊

本系統使用OLED顯示屏作為顯示模塊進行數據顯示。OLED顯示具有許多優點,與傳統的LCD顯示不同,它可以自發光,所以不需要背光燈。這在降低功耗的同時也使OLED顯示屏比LCD顯示屏更薄,視角更廣,顯示效果更優。OLED顯示屏還擁有非常高的對比度與極高的反應速度。其內部的驅動芯片為SSD1306,通信方式為IIC。

2.5 Wi-Fi模塊

本系統使用ESP8266作為Wi-Fi模塊。ESP8266是一個Wi-Fi透傳模塊,具有3種工作模式:STA(Station)模式、AP(Access Point)模式和 STA+AP模式[3]。STA+AP模式即可以在兩種模式下切換的狀態。本系統使用STA模式,在STA模式下該模塊可以連接到當前環境的無線網絡的終端(站點)。該模式對應TCP傳輸協議中的客戶端。

2.6 火焰檢測模塊

系統采用火焰傳感器進行火焰檢測。物體燃燒時產生的火焰是由各種燃燒生成物、高溫氣體、碳氫物質等高溫固體微顆粒構成。火焰傳感器是通過紅外光電二極管檢測這燃燒產生的火焰發出紅外輻射,當火焰大小發生變化時,火焰傳感器管腳間的阻抗也會隨之發生變化。當火焰越大,其導電率越大,輸出電阻就越小。其工作方式有兩種,可以通過DO口輸出數字信號1和0,也可以通過AO口輸出模擬信號。本系統采用數字信號檢測。

2.7 紅外人員檢測模塊

系統采用熱釋電紅外傳感器進行人員檢測,人體體溫一般為恒定的37 ℃,會發出特定波長為10 μm左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器則對此波長的紅外輻射十分敏感。由于只對特定波長的紅外輻射敏感,所以其抗干擾性較為良好。當有人進入傳感器感應范圍時,其導電率發生變化,傳感器輸出高電平。當人在其感應范圍內持續活動時,則會一直輸出高電平直至人離開其感應范圍。只需檢測電平的跳變即可判讀出是否有人進入該傳感器的檢測范圍。使用兩塊該傳感器,通過檢測電平跳變的時間差即可判斷人員的進或出。

2.8 報警模塊

系統使用蜂鳴器作為發聲元件進行報警。蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種類型。系統使用的是自帶震蕩源的有源蜂鳴器,只需要給其供電即就會工作。蜂鳴器采用直流電壓進行供電,由于蜂鳴器的工作電流一般比較大,需采用三極管來放大電流從而驅動蜂鳴器。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要分為單片機軟件設計、云平臺軟件設計和客戶端軟件設計3部分。

3.1 單片機軟件設計

單片機軟件設計部分采用C語言進行編程,編程軟件為Keil uVision5。根據設計目標來制定軟件系統方案,綜合考慮各個模塊的功能及使用目的,單片機軟件設計可分為主程序設計和子程序設計。在主程序中進行一系列模塊工作的初始化,子程序部分采用模塊化編程的方法,各模塊分別為溫濕度采集模塊子程序、煙霧與有毒氣體采集模塊子程序、顯示模塊子程序、報警模塊子程序、火焰檢測模塊子程序、紅外人員檢測模塊子程和Wi-Fi模塊子程序。

主程序設計思路為首先對各個模塊進行初始化,然后調用各個子程序中的函數來實現其功能。在接收到各模塊的數據后對各模塊的數據進行判斷,判斷是否超過所設定的溫度、煙霧濃度、有毒氣體濃度的閾值和是否發生火災。根據結果判斷是否進行報警,最后將數據發送到云服務器中。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 云平臺軟件設計

本系統使用云服務器進行數據傳輸,使用的平臺為ONE NET云平臺,選擇的接入協議為EDP協議。

ONE NET云平臺是由中國移動打造的物聯網開放平臺。在接入云平臺時首先需要創建產品,選擇接入協議。本系統選擇的增強設備協議(Enhanced Device Protocol,EDP),該協議為ONE NET云平臺根據物聯網特點專門定制的一個基于TCP的完全公開協議,然后創建設備,記錄設備ID等信息。在編寫Wi-Fi模塊子程序時,將需要用到這些信息與ONE NET云平臺建立TCP連接。實現連接后便可開始數據流的創建與數據點的上傳。完成后可以在ONE NET云平臺上看到上傳的數據點[4]。

數據通信(Wi-Fi模塊)采用的是ESP8266模塊。其工作時采用STA模式接收路由器信來進行網絡連接。再通過EDP協議與云服務器建立TCP連接,從而實現數據的上傳。其工作流程如圖3所示。

圖3 Wi-Fi工作流程

3.3 客戶端軟件設計

本系統使用微信小程序作為客戶端,使用的開發平臺為微信開發者工具。微信與傳統App相比,在實現傳統App所有基本功能的同時還擁有無需安裝,多終端適配,開發周期短,試錯成本低等優點。

用戶在使用客戶端時,需要保證手機連接到網絡。聯網成功后客戶端會自動嘗試與服務器進行連接,連接成功后將會彈窗提示“連接成功”。若連接失敗客戶端則會不斷嘗試與服務器進行連接直到成功為止。客戶端界面能實時顯示實驗室的當前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實驗室當前人數,還可以通過微信小程序遠程操控報警,如圖4所示。當實驗室中出現異常狀況時,微信小程序將同步報警提醒用戶。

圖4 客戶端界面

4 系統性能測試

在完成系統硬件設計與軟件設計后,對整個系統功能進行驗證。系統正常啟動后各個模塊可以正常工作。溫濕度采集模塊與煙霧和有毒氣體檢測模塊得到的數據成功在OLED屏上顯示,OLED屏顯示界面,如圖5所示。同時,溫濕度數據、氣體濃度數據與人員數據都會上傳至云服務器。這些數據可以在ONE NET云平臺中查看。當檢測到超出所設定的閾值的異常數據時,蜂鳴器將會發出警報,與此同時微信小程序進行同步報警。在微信小程序中可看到前溫度、濕度、煙霧與有毒氣體濃度與實驗室當前人數。

圖5 OLED屏界面

5 結語

本系統以STM32單片機為主控制器基于云平臺進行設計,實現了對實驗室安全進行自動監測并自動報警的功能。通過多次實驗調試表明,該系統可以實現溫濕度監測、煙霧和有毒氣體監測、火焰監測、人員進出情況統計等功能,且可以在PC端ONE NET云平臺和微信小程序中查看這些數據。基于云平臺的智能實驗室安全監測系統基本滿足了設計要求,具有很強的實用性,不僅使實驗室管理更加高效,還可以有效控制危險事故所造成的損失,對于實驗室安全具有重要意義。