實(shí)驗(yàn)室門(mén)電安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭輝麗, 李 真, 蔡本曉, 魏高堯

(1.杭州電子科技大學(xué) a.理學(xué)院；b.自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018；2.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，杭州 310023)

0 引 言

高校公共物理實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著全校理工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)室有各種重要昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，而這些實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)是開(kāi)放時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)出人員多，儀器使用頻率高，儀器老化快。在實(shí)驗(yàn)室無(wú)人值守的情況下，電閘未關(guān)閉可能會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間通電工作而造成損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)；門(mén)未及時(shí)鎖上使非實(shí)驗(yàn)室人員在實(shí)驗(yàn)室無(wú)人情況下隨意進(jìn)出，造成一些不必要的事故[1-2]。目前的管理方案是人工排查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且可能存在遺漏?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)多為在實(shí)驗(yàn)室供電條件下的安防檢測(cè)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、煙霧等，大多基于有線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的通信，需要專門(mén)進(jìn)行布線和工程改造，擴(kuò)展性不佳，成本也較高[3-7]。實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁管理系統(tǒng)通常只能記錄刷卡開(kāi)門(mén)的時(shí)間，而不能監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室在無(wú)人時(shí)門(mén)是否鎖上。因此，實(shí)驗(yàn)室的安全管理十分重要，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控獲取有效的實(shí)驗(yàn)室安全信息并及時(shí)響應(yīng)，將具有十分重要的意義。

本文主要介紹一種由傳感器、單片機(jī)和無(wú)線傳感器技術(shù)組成的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室電閘和鎖門(mén)狀態(tài)的門(mén)電安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)為在無(wú)需更換防盜門(mén)鎖和改造電閘內(nèi)部電路的前提下，在電閘和門(mén)鎖鎖芯外圍安裝壓力薄膜傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電閘以及門(mén)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)備由具有檢測(cè)功能的從機(jī)節(jié)點(diǎn)和具有顯示報(bào)警功能的主控中心組成，利用壓力薄膜傳感器檢測(cè)電閘和門(mén)的狀態(tài)，通過(guò)STM32單片機(jī)結(jié)合ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與通信[8]，巡查者不再需要進(jìn)入每間實(shí)驗(yàn)室查看電閘及門(mén)的狀態(tài)，就能直接從主控中心的TFT液晶顯示屏上得知每個(gè)實(shí)驗(yàn)室電閘的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和門(mén)的狀態(tài)，而且準(zhǔn)確性高。利用干電池對(duì)放在實(shí)驗(yàn)室做監(jiān)測(cè)的單片機(jī)供電，無(wú)需外接其他電源，更加安全[9]。此設(shè)備既省去了巡查實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間，又提高了檢查效率，且成本相對(duì)較低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由主控中心和從機(jī)中心兩部分組成。主控中心由單片STM32F103ZET6控制，主要功能是顯示從機(jī)中心發(fā)回的各實(shí)驗(yàn)室門(mén)鎖和電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的信息，如果在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)有實(shí)驗(yàn)室的電閘未關(guān)斷或門(mén)未上鎖，則主控中心蜂鳴器報(bào)警，相應(yīng)的LED燈亮[10]。從機(jī)中心的各從機(jī)節(jié)點(diǎn)均由STM32F103C8T6單片機(jī)控制，當(dāng)FSR壓力薄膜通電后作為敏感元件與待測(cè)目標(biāo)(電閘開(kāi)關(guān)或門(mén)鎖)進(jìn)行交互，壓膜電阻改變，經(jīng)電阻-電壓轉(zhuǎn)換模塊得到電壓信號(hào)[11]，輸送給單片機(jī)；STM32單片機(jī)為兩路電信號(hào)設(shè)置相應(yīng)的電壓閥值，兩路電信號(hào)通過(guò)STM32內(nèi)部AD將兩路電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)后，與閥值進(jìn)行比較從而進(jìn)行分析判斷；然后將判斷結(jié)果通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以接力通信的方式將每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的信息發(fā)送到主控中心。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2為該智慧門(mén)電安全監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)通信流程圖，整個(gè)系統(tǒng)分主控中心和從機(jī)中心兩套硬件系統(tǒng)。從機(jī)中心由若干個(gè)相同的從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，各從機(jī)節(jié)點(diǎn)按距離遠(yuǎn)近分別安裝在實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的位置，各從機(jī)節(jié)點(diǎn)之間以接力通信的方式將要采集的全部信息發(fā)送回主控中心。主控中心屏幕放置在實(shí)驗(yàn)中心辦公室以液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示各實(shí)驗(yàn)室電閘及門(mén)鎖開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)通信流程圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

該系統(tǒng)主控中心功能為接收數(shù)據(jù)并顯示、報(bào)警，考慮到TFT液晶顯示屏需要大量I/O口，主設(shè)備選用STM32F103ZET6芯片作為主機(jī)主控芯片。從機(jī)各節(jié)點(diǎn)功能為采集、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)，為考慮未來(lái)的功能拓展，選用I/O口較多的STM32F103C8T6芯片作為從機(jī)主控芯片。STM32F103系列芯片為32 bit基于ARM核心的帶64 KB或128 KB字節(jié)閃存的微控制器，工作頻率可達(dá)72 MHz，2.0～3.6 V供電，包含-40～+85 °C溫度范圍和-40～+105 °C的擴(kuò)展溫度范圍[12-13]。一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。內(nèi)嵌2個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)ADC共用多達(dá)16個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換，可以供門(mén)鎖和電閘的數(shù)據(jù)采集模塊使用。

2.2 電閘狀態(tài)檢測(cè)模塊

壓阻式壓力薄膜傳感器用于檢測(cè)電閘開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。圖3所示為壓力薄膜放置的實(shí)物圖。

由于電閘開(kāi)關(guān)對(duì)電閘塑料外殼的壓力小于1 N，所以選取了0～1 N范圍壓力薄膜。壓力薄膜固定于電閘關(guān)斷的一端，當(dāng)電閘關(guān)斷后，電閘手柄恰好壓住壓力薄膜，壓力薄膜就會(huì)受到一個(gè)1 N以內(nèi)的法向力，這時(shí)薄膜的電阻發(fā)生了變化，通過(guò)電阻-電壓轉(zhuǎn)換模塊將此變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，然后將電信號(hào)傳送給單片機(jī)[14]。

圖4所示為該模塊的電路原理圖。用3 V的電壓激勵(lì)，反相比例放大電路結(jié)構(gòu)，基于傳感器電阻和反饋電阻的變化產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸出。靈敏度由反饋電阻Rf和電壓UT進(jìn)行調(diào)整。降低反饋電阻和電壓會(huì)使靈敏度下降，但可使量程增大[15]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室需檢測(cè)的電閘數(shù)量，可增加檢測(cè)模塊。

圖4 檢測(cè)模塊電路原理圖

2.3 門(mén)狀態(tài)的檢測(cè)模塊

壓阻式壓力薄膜傳感器用于檢測(cè)門(mén)的狀態(tài)。三元乙丙發(fā)泡橡膠粘在鎖扣盒內(nèi)起緩沖作用，壓力薄膜選取0～4.9 N范圍，固定于三元乙丙發(fā)泡橡膠上，防止壓力薄膜受力過(guò)大被壓斷。當(dāng)門(mén)反鎖后，反鎖扣壓住壓力薄膜，相當(dāng)于給壓力薄膜施加了縱向壓力，從而導(dǎo)致壓力薄膜中的電阻發(fā)生變化，通過(guò)電阻-電壓轉(zhuǎn)換模塊將此變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，然后將電信號(hào)傳給STM32單片機(jī)。圖5所示為壓力薄膜放置實(shí)物圖，黑色凹槽是內(nèi)嵌在門(mén)框上的鎖扣盒。該模塊電路原理圖同圖4。

圖5 壓力薄膜放置實(shí)物圖

2.4 無(wú)線通信模塊—ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[16]。

該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)，采用的ZigBee模塊實(shí)際測(cè)試的直線傳輸距離達(dá)100 m以上，穿墻情況下完全可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)度的傳輸距離。使用2.4 GB頻段并自動(dòng)中轉(zhuǎn)上一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸[17]。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇無(wú)線收發(fā)芯片要考慮如下因素：收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量；收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)；收發(fā)功率。本文選用了CC2530芯片。CC2530它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器，有多種運(yùn)行模式，各模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間十分短，功耗很低，這些特點(diǎn)十分符合本系統(tǒng)靠電池供電的要求[18]。

2.5 主控中心顯示

顯示電路選取了TFT液晶顯示屏，其具有亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷等特點(diǎn)。圖6所示為實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果在TFT液晶屏上的顯示，初始化設(shè)置所有電閘和門(mén)為關(guān)。當(dāng)主機(jī)接收到從機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，在液晶屏上實(shí)際顯示電閘和門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，“關(guān)”則顯示黃色字體；“開(kāi)”則顯示紅色字體，起警示作用。

圖6 主控中心顯示效果圖

2.6 報(bào)警電路

報(bào)警電路由蜂鳴器和LED燈兩部分組成，在設(shè)定時(shí)間檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室電閘及鎖門(mén)狀態(tài)后，若有實(shí)驗(yàn)室電閘未斷開(kāi)或門(mén)未反鎖，則蜂鳴器響，對(duì)應(yīng)LED燈亮。電路原圖如圖7所示。

圖7 報(bào)警電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，軟件需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制主機(jī)這兩大功能。從機(jī)中心包含多個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳給單片機(jī)，執(zhí)行單片機(jī)下達(dá)的指令，發(fā)送相應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)和同步碼[19-20]。在通信部分，這些終端節(jié)點(diǎn)的程序功能是一致的，其程序設(shè)計(jì)工作流程如圖8所示。

圖8 從機(jī)中心發(fā)送段軟件流程

主控中心主要負(fù)責(zé)接收從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，主機(jī)上電后首先初始化顯示屏，然后等待接收數(shù)據(jù)，判斷各從機(jī)節(jié)點(diǎn)電源開(kāi)關(guān)是否按下，門(mén)是否鎖上，屏幕顯示各實(shí)驗(yàn)室的門(mén)鎖和電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)接收到門(mén)未上鎖或電源未關(guān)的信息，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警提示。主機(jī)程序設(shè)計(jì)工作過(guò)程流程如圖9所示。

圖9 主控中心發(fā)送段軟件流程

4 結(jié) 語(yǔ)

基于ZigBee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室門(mén)電安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗少，成本低且無(wú)需對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工程改造，安裝方便，并能有效監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室門(mén)鎖和電閘開(kāi)關(guān)狀態(tài)。利用干電池對(duì)各模塊控制系統(tǒng)供電，實(shí)驗(yàn)室完全斷電的情況下仍能正常工作，十分安全。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室電閘以及門(mén)鎖的關(guān)斷狀態(tài)，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)室的安全管理效率。目前我校物理實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)室已按照上述系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)改造，效果良好。