電氣實驗室安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

劉磊 孫曉菲 唐含 范超 盛婕

摘 要：為解決高校電氣實驗室安全問題，提出了一種基于傳感器、藍(lán)牙模塊和無線通信模塊的實驗室安全預(yù)警系統(tǒng)。以STM32為主控芯片，利用火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器、霍爾電流傳感器和防盜模塊進(jìn)行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常，即刻報警，同時將報警數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)，主機(jī)將顯示各項指標(biāo)狀態(tài)并實時繪制實驗室溫濕度波形曲線。在不同安全狀況下報警率達(dá)到90%以上，誤報率低于5%，實現(xiàn)了實驗室各項安全指標(biāo)的實時監(jiān)測以及主機(jī)與多個檢測系統(tǒng)的對接。

關(guān)鍵詞：自動化技術(shù)；智能安全預(yù)警；STM32；傳感器

1 概述

實驗室作為高校實踐教學(xué)的重要場所，電氣實驗室更容易出現(xiàn)各種安全問題，濕度過高會降低電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，加速設(shè)備老化甚至發(fā)生火災(zāi)；設(shè)備溫度過高會引起過熱跳閘，甚至燒壞設(shè)備；對加熱設(shè)備和電器設(shè)備使用不慎也容易引發(fā)各類問題，比如以學(xué)生實踐為主的實驗室常常會有人用完電烙鐵和轉(zhuǎn)印機(jī)等設(shè)備離開后忘記斷電，導(dǎo)致燙傷事故的發(fā)生甚至引發(fā)火災(zāi)；以及實驗室貴重設(shè)備和物品被盜等。隨著實驗室環(huán)境和設(shè)備的復(fù)雜化，更加需要對突發(fā)的安全狀況進(jìn)行實時監(jiān)控并相應(yīng)處理。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，用火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測實驗室是否發(fā)生火災(zāi)；用MPU6050模塊作為防盜模塊，實時監(jiān)測布防柜門的狀態(tài)，若發(fā)生意外打開立即報警；用HC-05藍(lán)牙串口模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶手機(jī)的交互，用戶連接成功后可以用手機(jī)作為遙控器操作菜單、錄入相關(guān)參數(shù)等；用蜂鳴器報警作為主要的聲音報警方式；用DHT11模塊作為溫濕度傳感器實時監(jiān)測實驗室溫濕度并顯示在TFT液晶屏上；用防水DS18B20溫度傳感器實時監(jiān)測設(shè)備溫度；用霍爾電流傳感器檢測電烙鐵是否通電，配合人體紅外熱釋電傳感器進(jìn)行電烙鐵違規(guī)操作的檢測；用NRF14L01模塊實現(xiàn)與主機(jī)的無線通信，主機(jī)以STM32單片機(jī)作為控制核心，配以TFT液晶屏進(jìn)行波形和各項檢測指標(biāo)狀態(tài)的實時顯示。

2.2 藍(lán)牙串口模塊

ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)等連接，支持波特率范圍為4800-1382400，兼容5V和3.3V的單片機(jī)系統(tǒng)。

2.3 NRF24L01模塊

NRF24L01芯片，使用2.4G全球開放的ISM頻段，最高工作頻率2Mbps，抗干擾能力強(qiáng)。125個可選通道，滿足多點通信和調(diào)頻通信的需要，可自動應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)的可靠。

本系統(tǒng)中采用該模塊進(jìn)行主機(jī)與檢測系統(tǒng)的無線通信，檢測系統(tǒng)設(shè)置為Tx模式，實時發(fā)送溫濕度檢測數(shù)據(jù)以及各個報警指標(biāo)的檢測結(jié)果，32個字節(jié)的數(shù)據(jù)包內(nèi)定義第1個字節(jié)為數(shù)據(jù)類型標(biāo)志。主機(jī)設(shè)置為Rx模式，接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)第1字節(jié)判此次數(shù)據(jù)是報警標(biāo)志還是數(shù)據(jù)標(biāo)志，若為報警標(biāo)志則根據(jù)第1字節(jié)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)報警，若為數(shù)據(jù)標(biāo)志則將第1字節(jié)之后的數(shù)據(jù)繪制在液晶屏上。

2.4 防盜模塊

采用MPU6050模塊，將加速度和角速度融合，得到模塊的姿態(tài)。將模塊固定到待防盜的柜門上，在布防模式下，一旦模塊的姿態(tài)發(fā)生改變則報警。由于本系統(tǒng)實現(xiàn)了萬年歷功能，故可以設(shè)定在每天的固定時間布防。管理員可修改系統(tǒng)密碼，只有成功連接才能設(shè)定布防、撤防。

2.5 電烙鐵智能監(jiān)控模塊

主要由霍爾電流傳感器檢測電烙鐵線路是否有電流通過、由紅外熱釋傳感器檢測周圍是否有人。二者配合判斷操作者是否在離開時忘記關(guān)閉電源。同時該系統(tǒng)可同時檢測多個電烙鐵，并對每個電烙鐵的違規(guī)操作進(jìn)行記錄，方便實驗室管理。

2.6 溫濕度傳感器

數(shù)字式溫度傳感器DS18B20檢測設(shè)備溫度，該傳感器可與單片機(jī)單線通信，編程易于實現(xiàn)且節(jié)省IO口，傳感器的溫度測量范圍為-55℃到125℃，分辨率高達(dá)12位，完全可以滿足系統(tǒng)的需求。在系統(tǒng)上電初始化之后，定時讀取傳感器的溫度值并與預(yù)設(shè)的溫度上限比較，超過溫度上限則進(jìn)行報警。同時讀取到的溫度值也將實時無線傳送回主機(jī)，供主機(jī)繪制溫度-時間的波形。用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度，數(shù)據(jù)的處理方法與DS18B20相似。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)時鐘SYSCLK是提供STM32中絕大部分器件工作的時鐘源，系統(tǒng)時鐘可以選擇為PLL輸出，HSI或者HSE，系統(tǒng)時鐘最大頻率為72MHz[8]，通過AHB分頻器分頻后送給各個模塊使用。單片機(jī)部分外設(shè)的初始化設(shè)置主要包括：定時器初始化，用于系統(tǒng)所需的定時功能；串口初始化，用于單片機(jī)與藍(lán)牙串口模塊通信；SPI初始化，用于單片機(jī)與無線模塊和外部FLASH通信。然后進(jìn)行各個模塊的初始化，成功后進(jìn)入while（1）循環(huán)，輪流進(jìn)行火焰、溫濕度、防盜、電烙鐵違規(guī)操作的檢測，若檢測到異常狀態(tài)，調(diào)用報警程序并返回數(shù)據(jù)至主機(jī)。

3.2 藍(lán)牙模塊程序設(shè)計

對于模塊的控制首先實現(xiàn)串口的初始化，以及串口的打印函數(shù)和串口2的接收處理。串口發(fā)送數(shù)據(jù)采用DMA發(fā)送，以提高系統(tǒng)實時性。串口的數(shù)據(jù)接收，采用了定時判斷的方法，對于一次連續(xù)接收的數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)連續(xù)10ms沒有接收到任何數(shù)據(jù)，則表示這次連續(xù)接收數(shù)據(jù)已經(jīng)結(jié)束。然后需要按照模塊的說明書初始化模塊，包括IO口的配置以及對模塊是否存在的檢測。最后編寫相關(guān)的發(fā)送AT指令函數(shù)以便實現(xiàn)與模塊的交互。

4 系統(tǒng)測試

硬件組裝調(diào)試完成后，根據(jù)預(yù)期需求對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如下：

系統(tǒng)可以實時監(jiān)測某設(shè)備的溫度和實驗室濕度。在溫濕度驟升或者高于某臨界值時進(jìn)行報警，用戶可以手動輸入報警溫濕度或者選擇默認(rèn)值報警。

在使用者離開電烙鐵、轉(zhuǎn)印機(jī)等高溫、耗電的設(shè)備時，若未關(guān)閉電源則進(jìn)行報警，同時記錄違規(guī)操作，便于實驗室管理。 對放有貴重設(shè)備的柜門進(jìn)行防盜報警，可以設(shè)置每天兩個時間段的固定時間開啟防盜。

利用藍(lán)牙串口模塊實現(xiàn)安卓手機(jī)與系統(tǒng)的交互，在檢測系統(tǒng)報警時主機(jī)也會進(jìn)行相應(yīng)的報警提示，同時主機(jī)實時顯示檢測系統(tǒng)測得的溫濕度波形，實現(xiàn)了主機(jī)對多個檢測系統(tǒng)的同時監(jiān)控。

5 結(jié)束語

該實驗室安全預(yù)警系統(tǒng)以火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器、霍爾電流傳感器等傳感器模塊對整個實驗室的各項安全指標(biāo)進(jìn)行實施監(jiān)控，用戶可以及時得知實驗室安全狀況，從而采取相應(yīng)措施。用戶也可以用安卓手機(jī)與系統(tǒng)進(jìn)行交互。本系統(tǒng)成本低，安裝方便，可在普通高校實驗室中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]汪浩，田豐，楊溢，等.多模智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2014，37（10）：20-24.

[2]劉舉平，余為清.基于GSM技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程控制器設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2010，11：45-46.

[3]肖春華，張洪濤.基于教室LED照明智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2014，22（15）：155-158.

作者簡介：劉磊（1993-），男，河北蔚縣人，本科在讀，主要研究方向：電氣自動控制技術(shù)。