生化類實驗室空氣質量監測系統的設計

馮 偉， 趙愛軍， 高 珂， 顧斌杰

（江南大學a.信息與控制國家級實驗教學示范中心；b.實驗室與設備管理處，江蘇無錫 214122）

0 引 言

實驗室是高等學校培養學生動手實踐能力的重要場所，也是科學研究和開發的重要平臺［1-3］。隨著各高校科研能力的提升，實驗室的使用率越來越高，師生在實驗室中工作的時間日益增多［1］。根據相關調查分析，科研型實驗室師生在實驗室的時間每周5 d 以上的人數占據了大約一半，4 ～5 d 的人數約占20%，2 ～3 d的人數約占20%［2］。隨著實驗室使用頻率的加大，實驗室安全建設，特別是環境安全保障系統的建設受到了更多的關注。

在實驗室的各種環境安全影響因素中空氣污染是比較普遍和重要的因素，它直接影響著師生及科研人員的健康［2-3］。美國職業安全與衛生管理局公布的統計數據顯示，實驗室內空氣污染導致實驗室人員壽命比社會平均壽命短10 a左右［2］。在生化類實驗室，試劑使用的種類多、頻率大，如果再存在危化品存儲和使用不當、危險廢棄物處置不規范等問題，會導致空氣中的污染物種類比一般實驗室更多，濃度更高，對內部工作的師生造成的危害更大。

為保證實驗室工作人員的身體健康，實驗室內空氣污染控制及管理方法亟待更多的研究和探索。目前，部分高校建立了一些信息系統，但這些系統管理對象是實驗人員及危化試劑，沒有對空氣質量進行主動監測，管理部門無法獲取空氣質量的準確數據；部分高校和科研機構在相關實驗室安裝了氣體泄漏監測裝置或空氣質量監測裝置，但這些裝置只是單點監測或作為通風櫥等其他設備的附屬裝置，沒有與信息系統對接［4-6］。管理手段的不足及實驗室建設中系統建設思維的缺失，嚴重影響了相關管理方法的制定。

針對生化類實驗室空氣污染監測的重要性及監管缺失的現狀，本文設計了一種生化類實驗室空氣質量監測系統并成功應用于江南大學生化類實驗室。系統采用LoRa無線網絡及4G CAT.1 通信技術、云服務器和WEB頁面等物聯網技術來采集、傳輸、處理空氣質量數據，實現了對生化類實驗室空氣質量的全天候自動監管，為管理部門的決策提供了數據依據。

1 系統整體設計

生化類實驗室空氣污染由各種可影響實驗人員身體健康的有毒氣體、顆粒物、揮發物及氣溶膠等物質造成［2］。空氣污染物種類繁多，其中總揮發性有機物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）危害最嚴重、污染分布最廣，目前已經成為室內空氣質量監測的首要指標，長期吸入TVOC 會影響人體健康，許多TVOC成分已經證明是致癌物或可疑致癌物［7］；甲醛、CO2、PM2.5、PM10、溫度、濕度也是影響實驗室內工作人員身體健康或舒適度的重要參考因素［8-9］。另外，空氣中煙霧濃度能預警火災發生，也關系著實驗室內部人員生命安全和財產安全。因此，系統設計通過上述8 種傳感器采集空氣質量參數，經過傳輸、處理后由界面進行展示、報警，從而實現對生化類實驗室空氣質量的監測。

圖1 所示為某生化類實驗室空氣質量監測系統的架構，從實施的便利性和成本考慮，整個系統包括終端、網關、云服務器、客戶端。終端安裝于需要監測的實驗室，它通過傳感器采集實驗室內部的空氣質量參數，通過LoRa無線網絡將數據傳輸給配對的網關，無需布線；網關接收終端傳輸的空氣質量數據，打包后通過4G網絡傳輸給云服務器，根據實際情況，一棟樓或一層樓安裝1 個網關即可；云服務器負責接收、存儲、處理整個系統的所有數據，是整個系統的控制核心；客戶端采用WEB頁面，通過瀏覽器訪問，用于用戶與系統的交互。

圖1 生化類實驗室空氣質量監測系統架構框圖

2 硬件的設計與實現

硬件主要包括終端和網關，二者安裝于監測區域，通過LoRa 技術以多對一的方式進行分時點對點通信。

2.1 終端的硬件設計

2.1.1 終端的硬件方案設計

圖2 所示為終端的硬件功能框圖，主要包括主控模塊、電源模塊、LoRa 模塊、顯示模塊、傳感器模塊和語音模塊。

圖2 終端的硬件功能框圖

（1）主控模塊。該模塊負責整個終端的業務處理，由MCU 與其外圍電路組成。MCU 采用APM32F103CBT6，它具有96 MHz 的主頻、20K 片內RAM、128K片內FLASH、3 路USART、2 路SPI，完全可以滿足系統的功能要求，更重要的是它是國產芯片，價格、供應穩定性都比國外品牌的同類芯片具有優勢。

（2）電源模塊。該模塊用于將開關電源提供的12 V直流電降為終端需要的直流電源。

（3）顯示模塊。該模塊用于人機交互，可以實時顯示空氣質量數據和設置終端的參數。它選用淘晶馳7 寸HMI串口智能電容屏，具有電路設計簡單、界面設計方便美觀的特點，它與主控模塊采用UART 接口通信。

（4）傳感器。該模組用于采集實驗室內部空氣質量參數，為保證參數的精度，系統選用了商業化成品傳感器模組。其中，煙霧傳感器選用建大仁科RS-YGN01；其余空氣參數選用創瑞康多功能空氣質量變送器，可以采集空氣的TVOC、甲醛、CO2、PM2.5、PM10、溫度、濕度等7 個參數。2 種傳感器數據接口均為RS-485，通信協議為Modbus RTU，數據讀取方便。

（5）顯示與傳感器模塊。該模塊使用MCU 的UART接口或擴展485 電路。

2.1.2 LoRa模塊的選用

LoRa模塊負責與網關進行無線數據交互。LoRa采用擴頻技術，具有通信距離遠、抗干擾和阻塞能力強的特點，適合復雜環境下的中遠距離無線通信［10-11］。為降低設計難度和保證通信質量，模塊選用商業化成品模組-安信可RA-01SC，它采用LLCC68 芯片方案。LLCC68 是Semtech公司的一款LoRa 射頻收發芯片，片內集成高效功率放大器，可實現高達＋22 dBm的傳輸功率，覆蓋從150 MHz 到960 MHz 的連續頻率，適用于中距離室內以及室內到室外的無線應用。

RA-01SC與主控模塊間采用SPI 接口通信。DIO接MCU的GPIO 口，并且此GPIO 口設置為外部中斷模式，用于判斷RA-01SC 事件的發生；BUSY_R 用于向MCU 指示當前指令是否執行完畢；NSS 可以強制RA-01SC終止正在執行的指令。天線接口處需使用阻容組成π型匹配電路。3.3 V 電源至少要保證250 mA的電流，并推薦增加ESD器件。

2.1.3 語音模塊的選用

語音模塊用于在空氣質量參數超標時發出語音報警。語音模塊的核心芯片為WTN6096，是一款多功能單芯片CMOS語音合成4 位元微控制器，音頻采樣率高達32 kHz，可以16 級音量控制，具有PWM和DAC 2種語音輸出方式。

WTN6096 與MCU 的接口為一線串口，占用MCU管腳少，程序設計簡單。MCU通過TTL 電平即可控制語音播放；芯片的PA2 腳用于反饋當前語音是否播放完畢；采用PWM直接驅動無源喇叭的語音播放方式，語音內容為定制，由專用燒錄器燒錄到芯片中。終端的實物如圖3 所示。

圖3 終端實物圖

2.2 網關硬件的設計

網關在整個系統中起數據透傳轉發的作用，它接收云服務器的指令，解析后向終端轉發；終端接收到網關轉發的指令并執行后，向網關回復，網關解析后通過4G網絡轉發給云服務器。

2.2.1 網關的硬件方案設計

網關的硬件功能框架圖如圖4 所示。主要由主控模塊、LoRa模塊、4G CAT.1 模塊、電源模塊四部分組成。其中：①主控模塊負責整個網關的業務處理，主要由MCU及附屬電路組成，從開發平臺的統一性考慮，MCU仍然選用APM32F103CBT6；②LoRa 模塊則選用安信可RA-01SC模組，驅動電路與終端的電路相同；③電源模組則為整個系統提供穩定的電源。

圖4 網關硬件功能框架結構

硬件設計中需要設計4 組跳線接MCU 的GPIO，用于通過跳線設置通信信道。

2.2.2 4G CAT.1 模塊的設計

4G CAT.1 模塊用于接收云服務器發送的指令，通過UART接口發送給MCU；MCU轉發的傳感器數據也通過4G CAT.1 模組發送給云服務器。

4G CAT.1 在4G 通信規則（4G CAT.1-CAT.16）中雖然是通信速度最慢的4G 通信技術，但也是成本最低的。相對于NB-IOT（CAT.M2）以及手機使用的4G CAT.4，它兼顧了成本及速度，非常適合對通信質量、實時性要求高的物聯網應用場景［12-14］。因此，系統選用了4G CAT.1 技術，模組型號為EC200S。

EC200S是專為M2M和IOT應用而設計的全網通LTE CAT.1 模組，具有使用簡單、超高性價比的特點，非常適合本應用場合。其工作電壓范圍3.6 ～4.5 V，本文設計為4.2 V，電流為3 A，設計時要在靠近電源處配合電解電容來避免大功率發射信號時的瞬時壓降導致的模組重啟。模組與MCU 之間通過UART 接口通信，因為模組通信接口電壓是1.8 V，MCU 電壓是3.3 V，所以需要通過2 個三極管電路進行UART電平轉換才可以通信。網關的硬件電路板實物如圖5所示。

圖5 網關硬件電路板實物圖

3 軟件的設計與實現

軟件主要包括終端程序、網關程序、云服務器程序、客戶端程序。終端程序、網關程序為硬件編程。因為APM32 完全兼容STM32 的軟件開發環境，所以硬件編程的環境為MDK5 和STM32CubeMX，采用HAL庫編程開發。云服務器程序和客戶端程序為純軟件開發，不涉及硬件。

3.1 終端程序的設計

終端程序主要完成傳感器數據采集、人機交互界面業務處理、LoRa 模組驅動及通信處理、語音模塊的驅動。程序主要流程如圖6 所示。

圖6 終端程序主要流程

終端的工作流程為：①上電后，程序先完成各模塊的初始化工作；②讀取存儲在片內FLASH 的通信信道，它由液晶界面設定；③程序進入主循環。在主循環里面依次完成傳感器數據讀取、液晶界面數據顯示、判斷傳感器數據是否超過閾值（若超閾值則通過語音模塊發出語音報警并清零標志）、判斷數據上傳標志是否置位（如果置位則通過LoRa 模塊上傳傳感器數據并清零標志）。在主循環中，程序還需要跳轉處理液晶界面觸控觸發的UART中斷、LoRa 數據接收觸發的外部中斷、傳感器數據發送觸發的UART 中斷。MCU與兩種傳感器之間采用標準Modbus RTU 通信協議。為降低難度及保證通信穩定性，終端與網關間的LoRa通信也采用Modbus RTU 通信協議，終端在預設信道接收到網關廣播的數據讀取指令后立即解析，如果地址是本機地址，則將數據上傳標志全局變量置位。

3.2 網關程序的設計

網關程序主要完成LoRa 模塊的驅動、4G CAT.1模塊的驅動、LoRa 通信處理、4G 網絡通信處理，主要程序流程如圖7 所示。

圖7 網關主要程序流程

網關上電后先對各模塊進行初始化，再通過信道設置GPIO的電平獲取通信信道號。IMEI是每一部移動通信設備唯一的串號，4G CAT.1 模組也不例外，相當于它的身份證號，獲取模組的IMEI之后可以將它作為網關的設備編號注冊到云平臺。在程序進入到主循環后，其先判斷連接4G CAT.1 模組的串口接收完成標志是否置位，如果標志置位，說明接收到云平臺下發的數據讀取指令，程序將指令完整的通過LoRa 模組以廣播的方式下發并清零標志。程序判斷LoRa 接收完成標志是否置位，如果置位說明指定的終端已經將數據上傳，網關通過4G CAT.1 模組將數據轉發給云服務器并清零標志。

串口接收完成標志由串口接收中斷和空閑中斷置位，中斷中接收到一組完整數據幀且CRC驗證無誤后將其置位。LoRa接收完成標志由LoRa模組的IO1 觸發的MCU外部中斷置位，在中斷響應函數中接收一幀完整數據并完成CRC 校驗。云服務器和終端均按照標準ModBus RTU 協議收發數據，網關在數據下發和上傳的過程中是透明傳輸。程序中需要設置一個定時器定期將網關的IMEI作為心跳包上傳給云服務器，以維持網關的長連接在線狀態。

3.3 云服務器程序的設計與實現

本設計的云服務器運行于騰訊云，根據系統設置定時向指定的網關發送數據讀取指令、接收網關轉發的終端傳感器數據以及心跳包。主要業務處理包括用戶、監測點和設備管理、數據展示以及數據庫的讀寫。

從功能角度云服務器程序劃分為傳感器協議處理模塊（Sensor protocol processing module，SPPM）、業務處理模塊（Service processing module，SPM）。SPPM處理面向長連接的技術服務，通過監聽TCP端口接收網關轉發上傳的數據協議，解析后轉化為程序內部數據，并通過接口與SPM 模塊通信，它采用了Apache MINA2 框架。SPM則為整個云服務器程序的核心，它本質上是一個Web 工程，提供RESET 風格的接口跟SPPM 通信，主要使用的架構為SSM 架構（Spring MVC、Spring 和MyBatis）［15］，緩存則采用了EhCache框架。云服務器程序的框架結構如圖8 所示。

圖8 云服務器程序框架結構

SPPM和SPM之間有2 個接口：設備登錄接口、數據交互接口。網關上電后上傳注冊數據包或定時上傳心跳包，SPPM接收后通過設備登錄接口轉發給SPM，SPM判斷程序內是否存在此網關，如果網關不存在，則通知SPPM斷開與此網關的連接；若網關存在，則通知SPPM通過數據交互接口接收此網關后續上傳的數據并在WEB 頁面上更新狀態。SPM定時向指定網關發送數據讀取指令也是通過數據交互接口先發給SPPM，再由其下發。

3.4 客戶端的設計與實現

系統客戶端為WEB 瀏覽器，Web 頁面采用JSP、jQuery和CSS 等經典的前端技術編寫而成，使用了Pintuer、jQuery WeUI等前端框架和UI庫。

根據實際的需求，設計了用戶管理、設備管理、監測點管理、報表中心、實時監控、系統設置、智慧看板等7 項功能。

用戶管理用于增、刪、管理用戶及設置用戶權限。設備管理用于增、刪、管理網關及終端，并將網關及終端進行綁定處理，還可以進行設置閾值、消除報警信息等設置工作。監測點管理用于增、刪、管理需要監測的實驗室，并將監測點與終端進行綁定。報表中心用于查詢、查看、導出監測點的歷史數據。實時監控可以查看所有終端的實時在線狀態及傳感器的實時動態數值。系統設置用于設置系統參數信息。智慧大屏則可以使用戶通過頁面直觀的查看到整個系統的概況和主要信息，具有很強的可視化效果和展示性。

4 系統性能測試

整個系統的主要功能是采集生化類實驗室內部的空氣質量參數，通過LoRa無線通信、4G網絡通信將數據發送至云平臺。傳感器的準確性及網絡的聯通性、穩定性對系統的性能起著至關重要的影響。在傳感器的選型上，系統選擇了已標定的成品傳感器。僅需要對設計的終端與網關間的LoRa 無線通信及網關與云平臺之間的4G網絡通信測試即可。

4.1 LoRa無線通信的測試

在系統中，LoRa 信號僅涉及穿墻，應用場景并不像野外環境那么復雜，以某大學化工學院5 樓實際場景為例，網關設置在設備間，在同一樓層選定典型的位置布置終端，離地高度1.6 m，通信頻率設置為433 MHz，發射功率設置為20 dBm，空中速率設置為9 600 bps，在不同的測試點分別向網關連續發送數據包，網關通過UART將數據轉發至計算機串口調試助手，用于計算丟包率和準確率。測試點分布如圖9 所示，測試結果如表1 所列。

表1 LoRa測試結果

圖9 測試點分布圖

測試結果表明，雖然應用場景穿墻層數較多，但是因為直線通信距離遠低于RA-01SC模組2.8 km的有效距離，且場景單一，測試數據丟包率為0%、準確率為100%，完全滿足系統應用要求。

4.2 4G網絡通信的測試

為便于查看測試數據，用花生殼軟件與網絡調試助手軟件NetAssist建立本地公網TCP服務器，編程使網關每隔10 s通過4G CAT.1 模塊向服務器發送一幀測試數據，連續發送3 000 次，通過NetAssist軟件導出的接收數據文件統計，數據的接收率和準確率均為100%，證明本應用中4G CAT.1 模塊滿足系統要求。

系統實際部署后，通過3 個月的運行測試，系統穩定可靠，完全符合設計需求。安裝在監測區域的電視機通過瀏覽器展示的客戶端智慧看板界面如圖10所示。

圖10 客戶端智慧看板屏顯

5 結 語

針對生化類實驗室空氣質量監管的現狀，設計并搭建了一種生化類實驗室空氣質量監測系統，通過3個月的實際運行測試驗證，結果表明，該系統通信丟包率為0、數據準確率為100%，網絡連通穩定可靠，實現了對生化類實驗室空氣質量的實時高效監測；通過量化的直觀數據，給學校實驗室管理部門制定相關規定提供了準確的決策依據。