實驗室安全智能監測系統的設計

呂海英 張亞偉 智少雷* 李歆

（1.天津普赫科技有限公司 天津 300380；2.天津華鴻芯科技有限公司 天津 300270；3.國能銷售集團有限公司 北京 100010）

引言

實驗室智能監控一般利用網絡通訊技術、安全監測技術、自動控制技術與實驗室所需的設備進行集成，旨在構建一個具有完善實驗設備和能妥善處理實驗室各種事件的安全智能監測系統，用于提升實驗室的環境友好性及安全性[1]。傳感技術的不斷進步促進了實驗室安全智能監測系統的發展。目前環境智能監測系統的發展趨勢如下[2-5]：

1）多傳感器融合技術的應用。如紅外傳感器、聲音傳感器等，實現更加全面的環境監測和控制。

2）數據分析和處理的深入研究。環境智能監測系統更注重數據分析和處理技術的研究，采用更加高效、準確的數據處理算法，提高系統的監測和控制精度。

3）互聯網和云計算技術的應用。環境智能監測系統將與互聯網和云計算技術相結合，實現宿舍環境監測和控制的遠程監測和管理。

4）人工智能技術的應用。環境智能監測系統將采用人工智能技術，實現更加智能化的環境監測和控制，為用戶提供更加智能化的體驗。

實驗室是進行科研實驗和教學實驗的重要場所，常涉及到危險品和高壓電等作業環境。安裝實驗室安全智能監測系統可以對實驗室內的危險因素進行實時監測，及時預警和處理，保障實驗室內人員的安全；可以減少因人為操作不當而造成的設備損壞和安全事故；可實現實驗室環境的監測和自動控制，可以節約水、電、氣等資源的消耗，實現環保節能的目標。本文基于單片機IAP15F設計了電力實驗室安全智能監測系統。從實驗室功能需求出發，對實驗室環境溫濕度監測、空氣質量監測、噪聲和磁場強度監測、火災防盜報警以及Wi-Fi通信等方面功能進行了需求分析并確定了設計方案。系統包含電源模塊部分、OLED顯示部分、煙霧監測模塊、噪聲檢測部分、獨立按鍵模塊、溫度濕度傳感器部分、空氣質量監測模塊、電磁場強度監測部分、紅外防盜模塊、負荷監測部分、聲光報警模塊以及Wi-Fi通信模塊等。并在此基礎上將硬件功能模塊進行整合，完成系統整體硬件結構設計。該系統的設計可以滿足實驗室的安全需求，并具備可靠性、實用性和易操作性的特點。

1 系統功能需求分析及傳感器選型

對功能需求進行分析是設計實驗開發室安全智能監測系統的前提條件，通過分析系統功能需求確定產品設計方案。

1）火災監測功能

火災是實驗室安全防范的重點之一。本監測系統利用IAP15F單片機搭配外部ADC0831模塊進行煙霧濃度的數據采集，煙霧傳感器輸出的電壓信號經分壓電阻分壓后直接發送給IAP15F單片機外部高速ADC模塊，電路非常簡單。由于MQ-2傳感器輸出電壓范圍滿足單片機的需求，故無需搭配運算放大電路。

2）噪聲監測功能

電力實驗室包含大量電力設備，免不了由于機器運轉而發出機械噪聲及電磁噪聲。實驗室的噪聲水平應在合理范圍內，以免影響實驗人員的工作安全和健康。本監測系統由麥克風采集環境聲音轉換為電信號通過運算放大電路把信號放大到能被IAP15F的外部ADC模塊采集的范圍內。然后通過程序把模擬量轉換為數字量。

3）電磁場強度監測功能

電力實驗室中的設備可能會產生電磁干擾，影響其他設備的性能和實驗結果。故需要監測實驗室中的電磁場強度，當電磁干擾超過一定限值時實驗人員需要采取防護措施。采用霍爾元件進行磁場強度的檢測。由于霍爾元件輸出信號較弱，需要搭配運算放大電路將信號放大到ADC模塊能處理的范圍，通過ADC轉換把模擬量轉換為數字量。

4）空氣質量及溫濕度監測功能

一些實驗需要嚴格控制環境溫濕度。電力實驗室進行溫濕度監測可以獲得準確的實驗結果、保證實驗安全和設備壽命。本系統采用MQ135傳感器完成空氣質量的監測任務，搭配ADC模塊完成模擬信號到數字信號的轉換，再通過單片機處理分析。采用DHT11傳感器用于溫濕度監測，其濕度測量范圍（20～95）% RH，溫度測量范圍（0～+50 ）℃，量程范圍滿足環境需求。

5）負荷監測功能

電力實驗室的設備功率往往很大，且負荷較多，因此耗電量較大，對于實驗室負荷的監測也極為重要。通常情況下，大型實驗器材同時滿負荷工作可能會產生過負荷運行狀態，而長時間的過載狀態可能會導致設備損壞。本系統通過電流互感器得到負荷電流，在經過光電耦合隔離，電阻分壓將電流信號轉化為（0～5）V的電壓信號，經 ADC模塊后傳入單片機，由此判斷實驗室的負荷情況。

綜合上述需求分析及傳感器選型，確定系統硬件框架結構如圖1所示。

圖1 系統功能模塊結構圖

2 電力實驗室安全智能監測系統軟件設計

將監測模塊的功能整合，要求各個模塊能夠流暢切換并正常監測，能正常顯示各個模塊檢測到的數據，數據超過臨界值能夠報警，按鍵能正常切換實時顯示界面以及臨界值調整界面，并能更改各數據的臨界值。主程序流程如圖2所示。

3 系統功能仿真及實物測試

在進行實物連接之前用proteus繪制仿真圖，避免連接過程發現預定方案有問題或連接錯誤等問題，根據元器件使用手冊對元器件的各個引腳進行線路連接繪制，組合在一起形成一個完整的系統仿真圖，系統硬件仿真如圖3所示。

圖3 硬件電路仿真系統

圖3 硬件電路仿真系統

本監測系統中火災報警功能理應通過MQ-2傳感器模塊來實現，當煙霧傳感器模塊監測測值大于報警閾值時，觀察系統能否及時發出報警提醒。將報警閾值設為50 ppm，測試結果如表1所示。

表1 火災報警測試數據（單位：ppm）

本系統采用了多種傳感器來實現對溫濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、噪聲、電磁強度、負荷強度的監測，并通過IAP15F單片機和nRF24L01無線模塊進行數據的傳輸和上位機的實時顯示。當某一項環境參數超出設定閾值時，系統將自動報警。搭建測試系統如圖4所示，圖5、圖6及圖7為部分環境監測結果。

圖4 系統實物測試

圖5 實驗室溫濕度顯示結果

圖6 實驗室環境監測結果

4 結論

本設計基于單片機進行了實驗室安全智能監測系統樣機的設計與開發，建立Proteus仿真模型驗證功能及設計的正確性，進行了樣機功能測試驗證設計的有效性。相比目前環境監測設備，本設計詳細分析了電力實驗室的環境監測需求，開發了具有特定監測功能（如電磁、噪聲及負荷）的環境監測設備。由于測試條件有限，系統可靠性有待進一步驗證。后繼將針對傳感器的有效放置和現有控制系統的優化開展進一步的研究，最大限度提高監測準確性并降低設備的能源消耗。