实验室环境监控平台的设计与实现

张喜鸿

摘 要：我国根据国内外监控平台的发展理念，提出了一种比较全新的实验室环境监控平台的设计方案。运用嵌入式的方法来降低成本，设计过程中引用了模块化方式，并引入警报制度，运用开放性的思路对软件和硬件进行设计，创建一个实验室环境监控平台。

关键词：实验室；环境监控平台；设计

中图分类号：S163 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190415023

引言

实验室的环境监控平台是十分重要的，本文从实验室监控平台的发展现状入手，对实验室监控系统的定义进行了描述，并对实验室内部的设计进行一个全面的介绍，不断完善实验室环境监控平台。

1 实验室监控平台的现状

1.1 外国实验室环境监控平台的发展现状

实验室环境监控平台起源于欧美国家，该平台在各种供应商以及电信运营商的推动之下，推出了各种比较先进的应用，这种应用对整个实验室的监控平台设计有着比较深远的意义。美国在使用这种平台的时候充分吸取了移动电话网和互联网的优势，然后再结合杰尔系统的优势，就可以实现全面的视频监控，监控过程会应用大量数据，将智能监控服务输送到手机上，整个监控方案能够在有线和无线的方式下进行监控。日本在使用这种平台的时候，将手机移动服务优势进行很好的利用，推出了一种比较先进的模式，这种模式能够在远程条件下运用手机对家电进行控制，充分展现了人和机器之间的远程控制。另外，日本还运用因特网和手机推出一种新型的监视摄像头[1]。这个设备使用的感光器非常好，像素也比较好，数码变焦在2倍范围内，能够拍摄高度清晰的画面。内部还具有一种主动防御的系统，这种系统遇到任何动静时都会发生警报，将盗贼吓跑。装置上还有麦克风和扬声器，通过麦克风和扬声器能够和盗贼之间进行谈判。除过这些，日本研发出生物認证，根据生物认证自主研发出一种系统能够对门进行自动识别，这种系统一般安装在摄像机的入口处，当有人进入大门的时候，系统会对来人进行识别，如果识别是公寓居民大门就会自动打开，如果识别不是公寓居民，大门就不会打开，整个识别时间控制在1s，非常节省时间。

1.2 我国实验室监控平台的发展现状

20世纪，实验室监控平台在我国的发展还比较缓慢，这种原因的出现主要是缺乏资金的投入，开发技术在短期时间内也没有发展成熟。前期阶段主要是对一些分散的控制系统进行了研究，比如说可视对讲系统和门禁系统就属于比较分散的智能控制系统。在通讯技术和各种集成技术的不断改进之下，各个系统之间逐渐实现了信息共享，系统的整个安装也越来越方便，使用起来也比较便捷。近几年，我国的数字化家庭系统得到了突飞猛进的发展，并逐渐向微软方面发展，给数字家庭系统开拓了一个比较广泛的市场，比较具有代表性的就是海信数字家庭系统，这个系统在世界同行业当中是唯一一个使用数字家庭媒体中心的产品。截止现在，我国高等院校里边的实验室设备相对来说比较集中，实验室里边的人员比较拥挤，实验室进行检测的时候都是以烟感和温度为主，同时还需要人工巡视来配合，管理的主要对象是试验设备，整个设备的运行环境受到一定的限制，因此花费的成本比较高精确度非常低，检测的时候一定要对实验室的环境进行判断，看是否会对人体健康造成影响。传统的方法已经无法满足应用要求，所以急需开发一种可靠系数比较高的监控系统。

2 实验室监控系统的含义

计算机技术在不断发展的状态下，实验室内部的各项设备也需要及时更新，人们对实验室的重视程度也越来越高，因为实验室环境的好坏和实验室的安全和运行息息相关，实验室环境一旦不好，还会威胁实验室内部人员的健康。一般情况下来说在实验室当中实施智能监控系统可以对实验室进行环境监测，运用实验室智能系统，各个设备可以实现相互之间的协作和操作。实验室当中的智能系统存在很多的功能，可以进行温度监测和湿度监测以及二氧化碳监测，实验室的温度监测和实验室日常的工作条件和设备运行息息相关，对实验室内部的温度进行监测是实验室检测系统当中比较重要的一个环节。实验室内部的湿度监测和实验室当中的设备运行和工作条件也密切相关，实验室内部对湿度进行检测也是实验室环境维护的重要方法。除此之外，实验室当中还需要对二氧化碳的浓度进行检测，因为实验室内部一旦二氧化碳的浓度过高，会给工作人员的身心健康造成很大的威胁，导致工作效率十分低下，因此实验室里边一定要加强二氧化碳的检测力度[2]。

3 实验室环境监控平台的设计

3.1 温度传感器的设计

温度传感器具备的特性比较多，只需要1个接口就可以实现通信，可以让检测应用进行简化。如果不想使用外部元件的时候，可以运用数据线来代替供电，供电的时候不用准备备份电源。整个测量范围也会逐渐递增，华氏温度范围也会不断增加。对温度告警进行设置的时候要根据用户的非易失性来进行，对极限之外器件进行编制的时候要运用告警搜索命令进行识别，应用范围比较广泛，通常在工业系统当中和消费类产品当中都会进行运用。如果接口是单线接口，各系哪个操作没有建立好之前就不能进行控制操作。主机的操作必须保持在5个种类之上，这些命令如果对各个器件上面的激光部分进行操作的时候，如果出现了好多器件，这个时候就需要选择一个比较有特色的器件，并对主机上面的各个器件执行控制操作，给主机创造6种控制操作命令。其中一个操作命令就可以完成温度测量，完成之后将结果存储起来，然后再进行存储器操作，并读出其中的结果。

3.2 湿度传感器

湿度传感器是在比较独特的工艺下设计的电容原件，可以进行大量的生产，还可以将这种技术运用到办公自动化当中，能够对车厢内部的空气质量进行控制[3]。还可以相应的进行湿度补偿，湿度传感器具备一种互换性，可以在长期饱和的状态下以最快速度进行脱湿，在环境比较标准的状态下也不需要校正。可以对波峰进行自动化焊接，可靠性和稳定性非常强，结构上采用固态聚合物，在线性电压和输出回路频率上都可以进行应用，时间反应上非常快速，图1可以显示出相对湿度正常范围在0.1%～100%RH，电容量从163PF上升到200PF，误差范围控制在±2%PF以下，响应时间控制在5S以下，温度系数达到了0.039F/℃，从这里可以看出精度还是非常的。

4 实验室系统的主要设计

4.1 系统硬件的设计

实验室智能监控系统开发的内容是对系统硬件进行必要的设计，专业度比较高的系统软件设计具备分析能力，并在进行分析的时候确定功能目标，设计的时候一定要进行调试保留充足的自由度，对硬件进行设计的时候，需要充分考虑软件开发问题，一定要保证硬件和软件开发相互协调，对软件的设计要正确简明，克服在硬件基础上对软件进行开发的难度。硬件系统中对系统存储器进行分配的时候，一定要充分 考虑软件安全系数，系统存储器主要分为2个程序区，分别是应用和引导，用Flash存储器来举个例子，这种存储器往往具备一个比较独立的数据空间，读写的时候根据音节来进行，进行访问的时候也由各个寄存器来决定。因为这种存储器本身的容量非常小，所以必须在储电后保留数据和代码。

4.2 人机交互接口的设计

对液晶显示进行设计的时候，需要比较小的微处理系统，因为这种系统能够很好的控制驱动。选择字型需要内部将文字和画面糅合在一起[4]。

4.3 键盘设计

对键盘进行设计的时候需要将其设计成矩阵键盘。确保无按键在闭合状态下可以是开路模式，当有键在闭合状态下，保证相连的口线之间能够处于短路狀态，对有无按键盘进行判断的时候先将置列线放在输入状态，再从行线之间输出一个比较高的电平，然后再将行线数据读出来，如果有一个列线安装的高电平， 就证明这个列线上有键闭合。将置行线的状态设置成输入状态运用列线输出高电平，读取入行线数据，如果有高电平列线的出现，就证明这个行线上有键闭合。

4.4 温度传感器模块设计

温度传感器上面器件通过单线通信线在相应时间段内取得高电平，能够将容量储存在电容器当中，断开电源的时候最好选择单信号线在低电平的时间段，一直等到信号线由低电平变成高电平的时候在连接电容电源，对外部电源进行供电的时候可以选择5V电源来进行，然后将单线接口和端口连接在一起。

4.5 温度传感器模块设计

电容传感器在整个电路构件中相当于一个电容器件，电器容件上的电容量会随空气湿度的变化而变化。一旦空气湿度有所上升，电容量就会增大[5]。计算机被转变成了变化量常常很容易地接受信号，一般情况下通常采用2种方法：把电容放在振荡电路中间，电压信号就会被产生，电流就会变大，信号就会转变为数字信号；把电容放置在电路里面，电压频率信号就可以用计算机采集。振荡电路一般都会有一个交替过程，给电源进行充分充电之后，充电时间达到相应程度之后，就会将电平高度触发，然后再输出引脚，再将高电平降低成低电平，然后再重复的进行多次输出，将电平形成方波时候再进行输出。

4.6 二氧化碳传感器模块设计

二氧化碳传感器的电阻非常大，由固体电解质组成，进行电压测量的时候如果采用的是低阻电路，就会导致输出的电压不正确，还会造成强大的外部电流，长期下去很容易对二氧化碳传感器造成影响。因此，连接电路的时候要选择比较大的阻抗系数来进行。

5 结语

对实验室环境监控进行设计的时候，一定要根据不同的设计要求选择比较合适的配件，这样可以让实验室监控系统的功能更加全面，不断增强监控系统的安全性和可靠性。

参考文献

[1] 孙涛， 李娟， 许有军，等. 基于物联网技术的实验室安防监控系统设计与实现[J]. 大庆师范学院学报， 2017， 37（3）：48-51.

[2] 何晓云， 高亮， 张细雄，等. 环境监测实验室数据质量控制模型设计与研究[J]. 山东化工， 2017， 46（19）：175-178.

[3] 宋孟华， 宋聪， 鲍成伟. 基于无线传感器网络的实验室环境监控系统设计[J]. 工业仪表与自动化装置， 2016（5）：75-77.

[4] 李浩. 实验室环境监控系统的研究及实现[J]. 铁路通信信号工程技术， 2016， 13（3）：50-53.

[5] 郝兴浩， 矫乐， 苗卓. 基于ZigBee的实验室环境监测系统设计[J]. 科学技术创新， 2016（24）：148-149.