基于云平台的智能实验室安全监测系统

徐子涵,耿丽清,徐世缘,刘宇玺

(天津职业技术师范大学 天津市信息传感与智能控制重点实验室,天津 300222)

0 引言

实验室是各大高校教学与科研创新的主要场所。由于高校实验室人流量大,学生安全意识淡薄,近年来在实验室因操作不当、实验设施老旧、设备运行超负荷、无色无味有毒气体或由不可控的恶劣气候导致的火灾、爆炸、中毒、触电等危险事故频发。为此各大高校都十分重视实验室的安全与管理。而目前市场上没有一款经济,高效的产品可以监测实验室安全情况。为了能够更加高效的管理实验室,减轻实验室工作人员的负担,提高实验室的安全系数,降低危险事故所造成的损失。本文设计并开发一款基于云平台的智能实验室安全监测系统。

该系统运用单片机技术、传感器技术、云平台技术以及客户端编程等相关技术,实现对实验室内人员进出、火灾情况、有毒气体、烟雾和温湿度等信息进行实时监测,同时将结果显示在液晶显示屏上等功能。该系统会将数据上传至云平台,实验室负责人24 h可随时查看客户端了解实验室当前状况。当监测到异常参数时,实验室与微信小程序将会同时进行报警。该系统能有效监测实验室内部的安全隐患,并提醒实验室内部人员与负责人实验室的危险程度,实验室内部人员与负责人可根据实际情况选择针对性保护措施。从而可避免一些不必要的危险发生。

1 系统总体设计

系统由实验室终端数据采集系统和云平台监测中心组成。实验室终端数据采集系统以STM32单片机为控制核心,通过传感器实时采集实验室的温度、湿度、有毒气体、火焰和人员进出情况等信息。云平台监测中心与终端采集系统建立连接并实现数据的传输。系统如图1所示。

图1 系统总体框架

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

本系统采用STM32F103C8T6单片机作为控制核心,STM32单片机最小系统是由电源电路、复位电路、时钟电路组成。单片机最小系统在上电后单片机就可以正常复位与下载程序。在确保最小系统正确的基础上,可合理添加功能或模块使单片机具有实际功能。

2.2 温湿度采集模块

系统采用DHT11数字温湿度传感器采集温度和湿度。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,其应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,可以和单片机直接相连。DHT11数字温湿度传感器具有成本低、性能稳定、响应超快、抗干扰能力强、数字信号输出、精确校准等优点[1]。DHT11数字温湿度传感器采用单总线方式与单片机进行通信。

2.3 烟雾采集与有毒气体采集模块

系统采用MQ系列传感器对烟雾和有毒气体进行采集,分别使用MQ2与MQ135。MQ2是常用的气体泄漏监测装置,适用于烟雾等气体的探测。而MQ135则是常用的有毒气体监测装置,具有代表性,价格低,使用寿命长,敏感度极佳,主要用于测量空气中的硫化物、氮氧化物、氨气、酒精、苯系蒸汽等。

MQ系列气体传感器都属于二氧化锡半导体气敏材料,是表面离子式N型半导体。当与某种气体接触时,会引起其表面导电率的变化。某种气体的浓度越大,导电率越大,输出电阻越低,则输出的模拟信号就越大[2]。

MQ系列传感器常用电路有两种:一种采用比较电路监控,另一种为ADC电路检测。本系统采用ADC电路检测。经过模数转换电路,公式换算,便可以得到具体的气体浓度。

2.4 显示模块

本系统使用OLED显示屏作为显示模块进行数据显示。OLED显示具有许多优点,与传统的LCD显示不同,它可以自发光,所以不需要背光灯。这在降低功耗的同时也使OLED显示屏比LCD显示屏更薄,视角更广,显示效果更优。OLED显示屏还拥有非常高的对比度与极高的反应速度。其内部的驱动芯片为SSD1306,通信方式为IIC。

2.5 Wi-Fi模块

本系统使用ESP8266作为Wi-Fi模块。ESP8266是一个Wi-Fi透传模块,具有3种工作模式:STA(Station)模式、AP(Access Point)模式和 STA+AP模式[3]。STA+AP模式即可以在两种模式下切换的状态。本系统使用STA模式,在STA模式下该模块可以连接到当前环境的无线网络的终端(站点)。该模式对应TCP传输协议中的客户端。

2.6 火焰检测模块

系统采用火焰传感器进行火焰检测。物体燃烧时产生的火焰是由各种燃烧生成物、高温气体、碳氢物质等高温固体微颗粒构成。火焰传感器是通过红外光电二极管检测这燃烧产生的火焰发出红外辐射,当火焰大小发生变化时,火焰传感器管脚间的阻抗也会随之发生变化。当火焰越大,其导电率越大,输出电阻就越小。其工作方式有两种,可以通过DO口输出数字信号1和0,也可以通过AO口输出模拟信号。本系统采用数字信号检测。

2.7 红外人员检测模块

系统采用热释电红外传感器进行人员检测,人体体温一般为恒定的37 ℃,会发出特定波长为10 μm左右的红外线。热释电红外传感器则对此波长的红外辐射十分敏感。由于只对特定波长的红外辐射敏感,所以其抗干扰性较为良好。当有人进入传感器感应范围时,其导电率发生变化,传感器输出高电平。当人在其感应范围内持续活动时,则会一直输出高电平直至人离开其感应范围。只需检测电平的跳变即可判读出是否有人进入该传感器的检测范围。使用两块该传感器,通过检测电平跳变的时间差即可判断人员的进或出。

2.8 报警模块

系统使用蜂鸣器作为发声元件进行报警。蜂鸣器主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种类型。系统使用的是自带震荡源的有源蜂鸣器,只需要给其供电即就会工作。蜂鸣器采用直流电压进行供电,由于蜂鸣器的工作电流一般比较大,需采用三极管来放大电流从而驱动蜂鸣器。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要分为单片机软件设计、云平台软件设计和客户端软件设计3部分。

3.1 单片机软件设计

单片机软件设计部分采用C语言进行编程,编程软件为Keil uVision5。根据设计目标来制定软件系统方案,综合考虑各个模块的功能及使用目的,单片机软件设计可分为主程序设计和子程序设计。在主程序中进行一系列模块工作的初始化,子程序部分采用模块化编程的方法,各模块分别为温湿度采集模块子程序、烟雾与有毒气体采集模块子程序、显示模块子程序、报警模块子程序、火焰检测模块子程序、红外人员检测模块子程和Wi-Fi模块子程序。

主程序设计思路为首先对各个模块进行初始化,然后调用各个子程序中的函数来实现其功能。在接收到各模块的数据后对各模块的数据进行判断,判断是否超过所设定的温度、烟雾浓度、有毒气体浓度的阈值和是否发生火灾。根据结果判断是否进行报警,最后将数据发送到云服务器中。主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程

3.2 云平台软件设计

本系统使用云服务器进行数据传输,使用的平台为ONE NET云平台,选择的接入协议为EDP协议。

ONE NET云平台是由中国移动打造的物联网开放平台。在接入云平台时首先需要创建产品,选择接入协议。本系统选择的增强设备协议(Enhanced Device Protocol,EDP),该协议为ONE NET云平台根据物联网特点专门定制的一个基于TCP的完全公开协议,然后创建设备,记录设备ID等信息。在编写Wi-Fi模块子程序时,将需要用到这些信息与ONE NET云平台建立TCP连接。实现连接后便可开始数据流的创建与数据点的上传。完成后可以在ONE NET云平台上看到上传的数据点[4]。

数据通信(Wi-Fi模块)采用的是ESP8266模块。其工作时采用STA模式接收路由器信来进行网络连接。再通过EDP协议与云服务器建立TCP连接,从而实现数据的上传。其工作流程如图3所示。

图3 Wi-Fi工作流程

3.3 客户端软件设计

本系统使用微信小程序作为客户端,使用的开发平台为微信开发者工具。微信与传统App相比,在实现传统App所有基本功能的同时还拥有无需安装,多终端适配,开发周期短,试错成本低等优点。

用户在使用客户端时,需要保证手机连接到网络。联网成功后客户端会自动尝试与服务器进行连接,连接成功后将会弹窗提示“连接成功”。若连接失败客户端则会不断尝试与服务器进行连接直到成功为止。客户端界面能实时显示实验室的当前温度、湿度、烟雾与有毒气体浓度与实验室当前人数,还可以通过微信小程序远程操控报警,如图4所示。当实验室中出现异常状况时,微信小程序将同步报警提醒用户。

图4 客户端界面

4 系统性能测试

在完成系统硬件设计与软件设计后,对整个系统功能进行验证。系统正常启动后各个模块可以正常工作。温湿度采集模块与烟雾和有毒气体检测模块得到的数据成功在OLED屏上显示,OLED屏显示界面,如图5所示。同时,温湿度数据、气体浓度数据与人员数据都会上传至云服务器。这些数据可以在ONE NET云平台中查看。当检测到超出所设定的阈值的异常数据时,蜂鸣器将会发出警报,与此同时微信小程序进行同步报警。在微信小程序中可看到前温度、湿度、烟雾与有毒气体浓度与实验室当前人数。

图5 OLED屏界面

5 结语

本系统以STM32单片机为主控制器基于云平台进行设计,实现了对实验室安全进行自动监测并自动报警的功能。通过多次实验调试表明,该系统可以实现温湿度监测、烟雾和有毒气体监测、火焰监测、人员进出情况统计等功能,且可以在PC端ONE NET云平台和微信小程序中查看这些数据。基于云平台的智能实验室安全监测系统基本满足了设计要求,具有很强的实用性,不仅使实验室管理更加高效,还可以有效控制危险事故所造成的损失,对于实验室安全具有重要意义。