一個基于STM32單片機的實驗室智能安防系統的設計與測試

張玲 楊仁桓

摘要：針對高校實驗室的安防需求，需要能夠及時消除安全隱患，最大限度減少實驗室安全事故，保障校園安全、生命安全和財產安全。文章設計了一套基于STM32單片機的物聯網實驗室智能安防系統。該安防系統選用STM32F103C8T6作為主控芯片，各傳感器將采集的數據通過Wi-Fi模塊上傳至機智云平臺，實時監測實驗室的溫濕度、非法闖入、火情、煙霧等情況，對環境實施精準監控。同時，該系統可滿足人機交互，使用者能夠下發相應的指令，對相關下位機模塊進行控制，使得系統更加智能化，能有效降低實驗室的安全風險。

關鍵詞：實驗室；STM32；安防系統；傳感器；物聯網

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0060-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著高等教育的快速發展，越來越多的院校相繼建設專業實驗室。然而，相比于硬件的大力投入，管理方面仍然存在不足。部分實驗室的管理還不夠完善，實驗室安全防范未受到足夠的重視。尤其是近幾年來國內發生的幾起嚴重的實驗室事故，給單位和個人造成了巨大的損失，為院校的實驗室安防建設敲響了警鐘。實驗室內一般具有較多的操作設備，必須嚴格遵守電氣作業操作規程。電路、電線、開關、插座的安全要求較高，須滿足儀器設備的功率需求。疏忽操作容易導致火災。實驗室的各類電子精密設備和儀器價格昂貴，對環境溫濕度要求也較高。實驗室具有空間較大，實驗儀器和實驗平臺較為分散的特點，實驗人員進行實驗操作的時間具有一定的隨機性。

這些不確定的因素給實驗室環境監測帶來了一定的挑戰。針對實驗室的這些特點，本文設計了一款基于STM32單片機的實驗室智能安防系統。該系統利用各種類型的傳感器模塊采集環境相關數據，并實時監控環境參數。通過手機端和OLED顯示屏端載體，系統可以直觀地顯示監測結果。此外，系統還具備人機交互功能，可以下發相應的指令，控制相關下位機模塊，從而消除安全隱患，提升實驗室管理的安全性。該系統具有一定的推廣價值，能夠在實驗室安全管理方面發揮重要作用。

1 總體設計

基于STM32單片機構建實驗室智能安防系統，系統分為感知層、控制層、傳輸層、應用層四層，系統總體設計框架如圖1所示。

感知層采用多點檢測的方式，以提高環境采集的準確性。該層由多源傳感器組成，用于采集實驗室環境信息，包括溫度、濕度、人體紅外、火焰、煙霧等數據。

控制層由單片機、電風扇、排氣扇、燃氣閥及蜂鳴器等組成，負責動作執行。使用者能根據當前溫度濕度環境、人體紅外、火焰、煙霧數據情況判斷當前實驗室的風險情況，并下發相關的控制指令。控制層能夠對室內空氣的溫度、濕度進行調節，對室內空氣進行凈化處理，對闖入情況進行告警處理。傳輸層通過構建Wi-Fi模塊進行數據傳輸，通過Wi-Fi模塊接入互聯網，實現上位機和下位機之間的數據傳輸。應用層通過機智云App實現人機交互功能，主要用于接收用戶指令，并下發相關控制。用戶可以在移動端實時查看各傳感器所采集的數據，同時OLED顯示屏可顯示當前系統和實驗室環境的狀態。

2 功能設計

實驗室智能安防系統利用先進的信息技術手段對實驗室空間進行智能化監測和控制，主要包括溫濕度檢測、安防檢測、火災檢測、煙霧檢測4個部分，能有效提高安全性、可靠性和實用性。系統模塊劃分為三部分：一是監控模塊。將各傳感器分別安裝在實驗室各空間內，在OLED顯示屏上實時顯示當前的溫濕度、是否監測到非法闖入、當前環境是否出現火情和煙霧。二是防護模塊。采集的數據通過Wi-Fi模塊上傳至機智云云平臺，在手機端實時查看各傳感器所采集的數據，并發送相關的控制指令至相關下機位。三是控制模塊。當監測到當前溫濕度異常時，可以遠程打開電風扇；當監測到當前有非法闖入時，可以遠程打開蜂鳴器報警；當監測到當前環境存在火焰時，可以遠程關閉燃氣閥；當監測到當前環境存在煙霧時，可以遠程打開排氣扇。功能設計如圖2所示。

3 硬件模塊設計

本設計的硬件電路由STM32單片機模塊、溫濕度傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊、火焰傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、OLED顯示屏、Wi-Fi模塊、舵機模塊、蜂鳴器模塊、模擬電機模塊等組成。

3.1 STM32單片機模塊

STM32單片機模塊選用型號STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核的32位微控制器，既能直接使用寄存器進行編程，也可根據官方庫文件進行編程。程序存儲器和RAM容量大小分別為64KB和20KB，并擁有豐富的接口資源，包括32個通用I/O口，7個定時器，系統時鐘最高可以達到72MHz。

3.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊選用型號DHT11，DHT11內部已有一個校準數字信號輸出器，數據引腳可通過單總線協議直接將數據傳輸至單片機。模塊實現環境的濕度溫度監控作用，將所采集的數據傳輸至主控芯片。在使用該模塊時，電源正負極要對應連接單片機的電源與地，數據引腳與單片機的PB12引腳相連，數據引腳與單片機的串口連接時需上拉一個5K左右的電阻。

3.3 人體紅外傳感器模塊

人體紅外傳感器模塊選用型號HC-SR501，HC-SR501是一款采用紅外線技術的傳感器。當模塊檢測到紅外信號后，數據引腳輸出一個高電平。模塊的電源正負極與單片機的電源正負極相連接，數據引腳與單片機的PB13引腳相連接，兩者通過串口實現通信。

3.4 火焰傳感器模塊

火焰傳感器模塊通過檢測火焰的波長和光譜識別當前環境是否出現火情，所在環境的火焰波長長度超過預先設定的數值時，數據引腳輸出一個低電平，反之輸出一個高電平。模塊的正負極與單片機的電源與電源地相連接，數據引腳與單片機的PA6引腳相連進行串口通信，實現模塊與單片機之間的數據傳輸。

3.5 煙霧傳感器模塊

煙霧傳感器模塊選用型號MQ-2，通過煙霧與可燃氣體二氧化錫的接觸改變材料的電阻特性從而影響輸出的電壓。單片機以輸出的電壓值作為依據，以判定是否存在有可燃氣體或煙霧。該模塊與單片機的電源相連接，對模塊進行供電，以保證正常工作，模塊的數據引腳與單片機的PB15連接，利用串口通信實現數據的傳輸。

3.6 OLED顯示屏

系統選用0.96寸的OLED顯示屏，采用IIC協議與單片機進行通信。該模塊有4個引腳，分別是VCC、GND、SCL、SDA，前兩個進行供電，后兩個分別是時鐘線和數據線，使用時將顯示屏電源線與單片機的電源相連接，SDA引腳接單片機的PB10引腳，SCL引腳接單片機的PB11引腳。

3.7 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用型號ESP8266-01S，通過選用不同的聯網方式將設備接入至局域網或物聯網，采用USART串口與單片機進行通信。在使用時，除進行正常供電外，還須給Wi-Fi模塊的EN引腳一個高電平，Wi-Fi模塊的TXD引腳與單片機的PA3引腳（USART1的RXD）相連，Wi-Fi模塊的RXD引腳與單片機的PA2引腳（USART1的TXD） 相連。

3.8 舵機模塊

燃氣閥的控制部分選用舵機模塊進行模擬，通過控制舵機力矩的轉動模擬燃氣閥的開與關。舵機模塊選用型號SG90，SG90有三根導線，一根導線負責PWM波信號的輸入，另外兩根分別接電源和地，舵機的數據引腳接單片機的PB6引腳（TIM4的輸出通道1） 。

3.9 蜂鳴器模塊

蜂鳴器是一款具備一體化結構的電子訊響器，蜂鳴器導通電后會導致其內部的膜片震動然后發出蜂鳴聲。蜂鳴器的電源端與單片機的電源相連接，蜂鳴器的地端與單片機的PC14引腳相接，當單片機的PC14引腳輸出一個低電平蜂鳴器即可發出蜂鳴聲。

3.10模擬電機模塊

電風扇和排氣扇選用型號L9110，L9110有VCC、GND、INA、INB四個引腳。通過向INA和INB兩個引腳輸入相對應的PWM波轉動風扇，INA輸入高電平模擬電機正向轉動，INB輸入高電平模擬電機則反向轉動，轉動的速度由輸入PWM波的占空比決定。電風扇模塊的INA與單片機的P8引腳（TIM4的通道3） 相接，INB引腳與單片機的PB9引腳（TIM4的通道4） 相接。排氣扇模塊的INA與單片機的地端相接，INB與單片機的PB7引腳（TIM4的通道2） 相接。

4 軟件設計

機智云是供物聯網與硬件開發者使用的一款云平臺，開發者可根據機智云平臺提供的協議與設備端的模組系統GAgent對接，硬件可快速接入物聯網，并能與大多數的Wi-Fi模塊和移動網絡模塊兼容，通過平臺提供的SDK可快速實現App的開發。系統軟件通過Wi-Fi模塊ESP8266-01s實現把各傳感器檢測的數據上傳至機智云平臺上位機以及把相關的控制指令下發至下位機。軟件界面如圖3所示。

5 模塊間的通信設計

單片機與各模塊之間的通信主要采用IIC和USART通信總線。具體通信方式如下：

OLED顯示屏與單片機的通信方式為IIC。IIC是一種半雙工串行通信總線，使用多主從架構，適用于主控制器和從器件間的通信。它由兩條總線線路組成：SDA串行數據線和SCL串行時鐘線。各個器件之間可以相互通信，也可根據需求設置主機和從機。主機可自主設置為主機發送器或接收器，通信時主機向從機發送命令，從機給出應答。IIC總線通過上拉電阻接正電源。當SCL信號為低電平時，SDA的狀態隨之發生改變。

Wi-Fi模塊與單片機的通信方式為USART。USART是一種通信雙方可同時接收和發送數據的串行收發器。它擁有高精度的波特率發生器，不須占用定時器的資源。USART的收發模塊分為接收器、時鐘發生器、數據發送器三大模塊，共同作用下實現數據通信。USART的串口信號線包括RXD（接收數據）和TXD（發送數據）兩種。

6 實驗結果

根據各傳感器模塊的工作特點，模擬通過改變環境參數，觀察各傳感器模塊采集的數據能否隨著相對應的環境參數的變化而變化，以檢測傳感器模塊是否正常工作。對系統進行整體實際實驗室環境的測試，檢測出不同環境情況下的參數顯示，實時發送指令和控制相應下位機的情況，以驗證本系統的準確性。

6.1 溫濕度傳感器測試

通過吹氣、打火機加熱、吹風機加熱三種不同方式模擬環境的升溫，每一種方式提升的溫濕度的幅度具有一定的差異，經實驗，溫度傳感器所采集的溫濕度值能隨著環境溫濕度的變化而變化，說明溫濕度傳感器模塊可正常工作。溫濕度數值對比如表1所示。

6.2 人體紅外傳感器測試

通過環境有人和模擬無人實施人體紅外傳感器的檢測。根據實驗測試的結果顯示，人體紅外傳感器可以正確檢測當前環境是否有人，說明人體紅外傳感器模塊可正常工作。人體紅外參數對比如表2所示。

6.3 火焰傳感器測試

通過環境中有火焰和無火焰模擬火焰傳感器檢測，根據實驗測試的結果顯示，火焰傳感器可以正確檢測當前環境中是否有火焰的出現，說明火焰傳感器模塊可正常工作。火焰參數對比如表3所示。

6.4 煙霧傳感器測試

通過環境中有煙霧和無煙霧模擬火焰傳感器檢測，根據實驗測試的結果顯示，煙霧傳感器可以正確監測當前環境中是否有煙霧的出現，說明煙霧傳感器可正常工作。煙霧參數對比如表4所示。

6.5 系統整體測試

將系統實物板放入實訓室并上電，一臺手機打開數據熱點，系統實物板連通熱點后，另一臺手機打開機智云App。給系統檢測模塊制造相關的模擬環境，傳感器采集的數據在OLED 屏幕上正確顯示，采集的數據可成功傳輸至機智云，在機智云App上依次點擊打開和關閉電風扇、燃氣閥、蜂鳴器、排氣扇的按鈕，相對應的控制模塊都可以實現。實物圖正面如圖4所示，火焰靠近火焰傳感器系統顯示如圖5所示。

本系統設計也存在一定的不足，如各傳感器采集的數據具有一定的誤差，感應的距離也存在一定的限制。溫濕度傳感器采集的溫度的誤差在2℃左右，濕度的誤差在6%左右。人體紅外傳感器的精準感應范圍為3m，火焰傳感器精準感應范圍為45cm左右，超出范圍則存在些許誤差。煙霧傳感器可檢測打火機中的氣體以及紙張燃燒的氣體，但反應時間略長。

7 結束語

本文設計和實現了一款基于STM32F103C8T6的實驗室智能安防系統，該系統使用多點檢測的方式判斷實驗室各區域的環境參數，提高了環境監測的準確性。另外使用移動端App對實驗室環境的異常進行判斷和處理，使得本系統對實驗室環境的控制調節更加智能化。系統具有一定的可靠性、安全性和便捷性，并可根據需要增加傳感器模塊實現對實驗室環境進行更加精確的監測，具有較強的可擴展性。

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【通聯編輯：王 力】