基于Arduino與LabVIEW的智能化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)

曾曉楠 熊丹 韋鑫 王春偉 徐俊

（1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 安徽省宣城市 242000）

（2.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 安徽省宣城市 242000）

（3.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程學(xué)院 安徽省宣城市 242000）

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是化學(xué)教學(xué)和研究的重要基地，是新時(shí)代下培養(yǎng)高素質(zhì)化學(xué)人才，創(chuàng)造高水平研究成果的重要場(chǎng)所。而化學(xué)實(shí)驗(yàn)室藥品試劑不僅種類繁多，而且特性也各不相同，一旦保存不當(dāng)，易發(fā)生爆炸、有毒氣體泄漏等嚴(yán)重事故，因此保證實(shí)驗(yàn)室的安全是第一要?jiǎng)?wù)。本文主要提出一種新型智能安防系統(tǒng)，利用LabVIEW虛擬儀器的特點(diǎn)，通過VISA配置相關(guān)參數(shù)，將下位機(jī)采集到的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室溫濕度、氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)以圖形化分析方法直觀的顯示在上位機(jī)界面，形成一個(gè)針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的數(shù)據(jù)分析處理網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)室管理員可在PC端查看數(shù)據(jù)處理結(jié)果，也可借助ESP8266連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、氣體泄漏、入竊等安全隱患時(shí)，下位機(jī)會(huì)以蜂鳴器報(bào)警，GPRS無(wú)線通訊系統(tǒng)也將向?qū)嶒?yàn)室管理員發(fā)送緊急預(yù)警短信，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控，從而減少事故發(fā)生所造成的損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

安防系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要有火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅?、煙霧傳感器、光敏傳感器、人體近紅外模塊、OpenMV攝像頭、蜂鳴器、SIM800C、APC220、ESP8266模塊；軟件部分分為上位機(jī)LabVIEW軟件編程和下位機(jī)Arduino編程，上位機(jī)與下位機(jī)之間通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220進(jìn)行通信。

整個(gè)系統(tǒng)由五部分組成，分別是環(huán)境感知系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)、LabVIEW上位機(jī)。圖1為控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

（1）環(huán)境感知系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集化學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度等信息，為微處理器Arduino Mega 2560 控制提供依據(jù)。主要使用了火焰、溫濕度、煙霧、空氣質(zhì)量等傳感器。

（2）防盜系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室來(lái)訪人員進(jìn)行記錄，對(duì)陌生人闖入進(jìn)行報(bào)警，主要由OpenMV攝像頭、人體近紅外模塊等構(gòu)成。

（3）顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)單片機(jī)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，以便清晰地了解實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示在顯示屏上，主要模塊包括LCD顯示屏，指示燈等。

圖2：下位機(jī)軟件系統(tǒng)流程圖

（4）數(shù)傳系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室管理員和下位機(jī)之間連接的橋梁，能夠傳輸實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，若有災(zāi)情發(fā)生以GPRS短信發(fā)送的方式告知管理員，實(shí)驗(yàn)室管理員也可通過訪問第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，及時(shí)做出反饋，這一部分主要由SIM800C、ESP8266以及無(wú)線傳輸模塊APC220組成。

（5）LabVIEW上位機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)以圖表、曲線的形式清晰的將化學(xué)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)展現(xiàn)在PC端，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 APC220模塊

圖3：LabVIEW上位機(jī)界面

這款模塊嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，配合1個(gè)USB轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)之間通訊，具有優(yōu)良的抗干擾性能，在空曠地帶其傳輸距離可以在1000米以上，可以滿足安防系統(tǒng)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的要求。

2.2 SIM800C模塊

這是一款四頻GSM/GPRS模塊，性價(jià)比高,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，Arduino單片機(jī)通過串口對(duì)GPRS模塊發(fā)送AT指令，裝有SIM卡的SIM800C會(huì)給預(yù)先設(shè)定的應(yīng)急聯(lián)系人撥打手機(jī)號(hào)碼或發(fā)送短信，從而及時(shí)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的災(zāi)情報(bào)警。

2.3 氣體傳感器

負(fù)責(zé)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室氣體檢測(cè)的傳感器主要是煙霧傳感器（MQ-2）和空氣質(zhì)量傳感器（MQ-135），二者均為MQ系列傳感器，該系列傳感器多采用半導(dǎo)體類氣敏材料，如采用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料的MQ-2型煙霧傳感器會(huì)隨著煙霧濃度的增大而輸出更大的模擬信號(hào)。而MQ-135氣體傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測(cè)也很理想，因而非常適合應(yīng)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的復(fù)雜情況。

2.4 OpenMV機(jī)器視覺模塊

OpenMV是一個(gè)功能強(qiáng)大的開源機(jī)器視覺模塊，集成了OV7725攝像頭芯片，內(nèi)置Micro Python解釋器，可以用其完善的機(jī)器視覺算法進(jìn)行圖像處理，還可以通過Haar算子快速進(jìn)行人臉識(shí)別，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)室來(lái)訪人員進(jìn)行拍照記錄。

2.5 ESP8266

選取的通訊模塊為ESP8266系列中的NodeMCU模塊，通過對(duì)其固件的燒錄、透?jìng)鞯炔僮魇蛊渑c貝殼物聯(lián)、阿里云、百度智能云等公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行Webconfig配置，使該設(shè)備自動(dòng)與平臺(tái)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交互。實(shí)驗(yàn)室管理員若想遠(yuǎn)程查看化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)數(shù)據(jù)，便可通過Web瀏覽器進(jìn)入第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)Arduino軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)為微控制器Arduino Mega 2560，該型號(hào)單片機(jī)擁有54路數(shù)字輸入/輸出端口，16路模擬輸入端口，4路UART串口，資源豐富，可以滿足安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的化學(xué)危險(xiǎn)試劑很多都是易燃易爆有毒物品，實(shí)驗(yàn)過程中操作不當(dāng)或環(huán)境因素變化都很容易造成安全事故。故在下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，給相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)設(shè)立一定閾值，一旦超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警，從而達(dá)到安防的目的。下位機(jī)軟件系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.2 上位機(jī)LabVIEW界面設(shè)計(jì)

為能夠在LabVIEW界面上清晰地反映數(shù)據(jù)，需通過編程的方式將LabVIEW和傳感器采集的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。LabVIEW的主程序框架由事件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)以及While循環(huán)結(jié)構(gòu)組成。首先添加配置串口函數(shù)VISA Configure Serial Port，并設(shè)置4個(gè)數(shù)值常量，參數(shù)值分別為9600（波特率）、8（數(shù)據(jù)位）、0（校驗(yàn)位，無(wú)奇偶）、1（停止位），再把緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)讀取到屬性節(jié)點(diǎn)中，然后程序進(jìn)入While循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)，不斷地監(jiān)測(cè)是否有事件得到相應(yīng)并執(zhí)行。通過兩個(gè)布爾類型的變量來(lái)控制實(shí)現(xiàn)不同的條件結(jié)構(gòu)，在前面板顯示的是讀取和寫入按鈕控件，用戶可根據(jù)自己的需求按下不同的按鍵來(lái)選擇發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)。在VISA讀取函數(shù)中，將不同意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)便可以波形圖表、儀表等形式展現(xiàn)在前面板。主界面將安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整體顯示在一個(gè)界面上，方便化學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理員清晰地查看實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)。LabVIEW上位機(jī)界面如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在Arduino與LabVIEW的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的智能化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐后，成功搭建了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、記錄，并圖形化顯示在上位機(jī)LabVIEW界面上，從而幫助實(shí)驗(yàn)室管理員清晰地掌握實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，及時(shí)采取相應(yīng)措施，最大程度地減小化學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生安全事故的可能性。