基于STM32的学校实验室环境安全监测系统设计

朱婧玮

（兰州现代职业学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

2023 年2 月，教育部办公厅印发《高等学校实验室安全规范》，提出“高校实验室建设和使用应认真贯彻落实国家各项安全相关法律法规，保障实验活动安全有序进行”，并指出学校应加强实验室安全建设与管理，加强安全物资保障，配备必要的安全防护设施和器材，建立能够保障实验人员安全与健康的工作环境［1］。基于此，本研究设计出对学校实验室环境进行安全监测的系统，为校园实验室安全管理提供帮助。

1 系统总体设计

学校实验室环境安全监测系统以STM32F103C 8T6 为主控芯片，基于物联网技术对学校实验室环境进行安全监测，包括对室内的环境温湿度、可燃气体、一氧化碳、人员数量进行检测，通过门禁对进出实验室人员的身份进行核验，摄像头可提供全方位、可视化的实时监控，同时根据现场采集到的环境数据，适时启动排风、空调装置。当检测到的数据超限时，系统会进行报警。所有检测数据可通过WiFi 模块上传到系统上位机，在控制室Web 端页面显示现场数据，远程查看现场视频，检测超限报警提示，并存储历史数据［2-4］。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

2 系统硬件设计

2.1 主控电路

系统主控制电路选用的是STM32F103C8T6 芯片，其具有32位ARM Cortex-M内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，并提供丰富的I∕O 端口、通信接口和外设配置，能快速响应，且功耗低。

2.2 电源电路

电源模块的电路输入电压为AC 220 V，根据系统供电需求，电源电路输出电压为DC 12 V、5 V、3.3 V，线性电源的稳定性高，输出纹波小，为系统主控电路、测量电路等供电。电源电路如图2所示。

图2 电源电路示意

2.3 温湿度检测电路

该系统采用DHT11 数字温度传感器对温度进行检测。芯片2 脚与STM32 的PA11 端口进行连接，实现数据的串行传输。温湿度检测电路如图3所示。

图3 温湿度检测电路示意

2.4 可燃气体检测电路

采用MQ-2 气体传感器检测可燃气体，可检测液化气、甲烷、酒精、氢气、烟雾等气体，其由加热电阻和感应电阻组成，检测电路如图4所示。

图4 可燃气体检测电路示意

2.5 一氧化碳检测电路

选用MQ-7 气体传感器检测一氧化碳，该传感器以二氧化锡（SnO2）为气敏材料。电路如图5所示。

图5 一氧化碳检测电路示意

2.6 人数检测电路

使用光电传感器电路检测人数。光电传感器电路由4 个DY-ITR8402 红外对射式光电传感器及周边电路组成，如图6所示。

图6 室内人数检测电路示意

2.7 无线模块

采用ESP8266 无线传输模块进行无线传输。该系统选用STA 模式，通过路由器连接互联网，从而实现对设备的远程控制。系统将ESP8266 接入物联网云平台OneNet 中，实现传感器数据的接入、存储和展现。

2.8 摄像头模块

选用具有视频采集和图像压缩功能的摄像头，将其安装在实验室内墙中线位置高处，便于观察室内情况。采用720P∕160°广角摄像头，通过串口通信方式与主控电路连接。

2.9 门禁电路

选用南京纳奇NQ-05刷卡密码门禁系统，可实现对进入实验室人员的精准管控。

2.10 显示电路

选用淘晶驰串口HMI屏作为系统的显示电路，用于在室内显示实验室环境温湿度、当前人数、可燃气体检测值、一氧化碳检测值等信息。

2.11 报警电路

选用SYN6288 语音模块，通过PA2、PA3 端口来传送数据，置高电平时启动报警电路，语音报警。

2.12 排风和空调电路

排风电路和空调电路为系统现场执行机构。当实验室内人员较多，导致室内空气混浊、温湿度超限或检测到可燃气体、一氧化碳气体时，系统会自动打开排风电机和空调系统，进行通风换气，并调节室温。排风电路、空调电路如图7所示。

图7 排风电路、空调电路示意

3 系统软件设计

系统软件是基于ARM 嵌入式系统进行开发的，传感器用于采集现场环境数据，将温湿度检测数据通过单总线上传至主控芯片、可燃气体检测和一氧化碳检测数据直接输送到主控芯片的ADC 端口，主控芯片对数据进行分析、计算和处理，通过液晶屏来显示环境检测数据，并驱动输出外设，同时用WiFi 模块将数据发送到上位机。在Keil5.0 环境中，按照系统功能对程序进行分模块设计，用C 语言来完成系统软件设计［5］。

4 系统上位机开发

4.1 开发环境

在QT5 软件中完成对系统上位机登录界面和主控显示界面的制作。将STM32 数据采集板的数据通过WiFi 上传至系统上位机，上位机采用SQL LITE 数据库来存储数据信息。上位机每1 min 更新一次数据，从而实现对实验室环境数据的实时显示、历史数据查看。

4.2 Web端设计

系统Web 端是在MVC 框架中采用QT、C++语言编写的。QT 登录注册模块可实现用户注册和不同用户的登录操作，User_info 表结构见表1。系统使用人员在按照分配的账号、密码进行系统登录后，可进入系统监控界面。

表1 User_info表结构

QT 传感器数据显示模块可实现系统登录人员对传感器数据的实时监测、历史数据查看，并显示当前日期、时间、实验室编号。SenSor_Num 表结构见表2。

表2 SenSor_Num表结构

用户在成功登录Web页面后，可查看各项检测数据，通过摄像头可实时监控画面，数据每1 min更新一次。当检测到的数据超限时，将会报警提示。同时，会将这些数据存入数据库，方便用户随时调取、查看历史数据。

5 结语

本研究设计了基于STM32 的实验室安全监测系统。该系统通过DHT11 温湿度传感器、MQ-2 可燃气体传感器、MQ-7一氧化碳传感器、人数检测电路来采集现场环境数据，通过WiFi 模块向上位机传输数据，利用QT5 来实现用户在客户端注册登录，用户可查看显示界面实时数据和历史数据。经现场测试，该系统能实现上述功能，从而有效提高学校实验室安全管控效率。