基于扁平化指揮的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳吉

摘? 要： 傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、安全性差。為了解決上述問(wèn)題，基于扁平化指揮設(shè)計(jì)了一種新的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)。利用采集模塊、控制模塊、GPRS無(wú)線模塊以及電源模塊設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在采集模塊中加入門磁開關(guān)、溫度傳感器和煙霧傳感器，選用AT89S52芯片作為GPRS無(wú)線模塊中的內(nèi)部芯片，在電源模塊中增設(shè)了PCB板。軟件程序主要設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)程序和視頻監(jiān)控程序，利用上電復(fù)位、數(shù)據(jù)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示完成驅(qū)動(dòng)工作，通過(guò)調(diào)節(jié)IP地址端口設(shè)定視頻監(jiān)控程序。為檢測(cè)系統(tǒng)性能，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，基于扁平化指揮設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很短、安全性能高，更適合實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控工作。

關(guān)鍵詞： 扁平化指揮; 智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng); 門磁傳感器; 實(shí)時(shí)信息采集; GPRS無(wú)線模塊; 報(bào)警設(shè)備

中圖分類號(hào)： TN948.64?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）09?0170?05

Design of intelligent laboratory safety monitoring system based on flatting command

CHEN Ji

（East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract： The traditional security monitoring system is of long response time and poor security when monitoring the security of the laboratory. In order to solve the above problems， a new intelligent laboratory security monitoring system is designed based on the flatting command. The hardware structure of the system is designed by the acquisition module， the control module， the GPRS wireless module and the power module. The gate magnetic switch， temperature sensor and smoke sensor are added to the acquisition module. The AT89S52 chip is taken as the internal chip of the GPRS wireless module. The PCB board is added to the power module. The software program is mainly composed of the driving and video monitoring programs. The driving work is completed by power?on reset， data test， data processing and data display and the video monitor program is set by adjusting the IP address port. In order to test the performance of the system， the contrast experiment between the proposed system and the traditional monitoring system was performed. The results show that the intelligent laboratory safety monitoring system based on the flatting command design is of short response time and high safety performance， which is more suitable for laboratory monitoring.

Keywords： flatting command; intelligent laboratory security monitoring system; gate magnetic sensor; real?time information acquisition; GPRS wireless module; warning equipment

0? 引? 言

安全監(jiān)控系統(tǒng)最初被用來(lái)監(jiān)控大型儀器工作狀態(tài)，系統(tǒng)與一體化面板連接，遇到突發(fā)狀況后，一體化面板會(huì)直接操作[1]。近年來(lái)，隨著監(jiān)控一體化技術(shù)的發(fā)展，各種類型的監(jiān)控手段不斷被提出，安全監(jiān)控也在傳統(tǒng)的一體化技術(shù)上加入了通信技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控設(shè)備和環(huán)境，具有實(shí)時(shí)性[2]。目前，很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里都配備了安全監(jiān)控系統(tǒng)，記錄實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，以及所處環(huán)境的溫度參數(shù)，再借助計(jì)算機(jī)中心系統(tǒng)進(jìn)行管理操作[3]。

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然具備一定的監(jiān)控能力，但是層級(jí)過(guò)多，監(jiān)控結(jié)果要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能傳給中心系統(tǒng)，中心系統(tǒng)從多個(gè)指揮點(diǎn)下發(fā)命令，系統(tǒng)在同一時(shí)間內(nèi)難以執(zhí)行。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)得到的內(nèi)容多是數(shù)據(jù)內(nèi)容，以表格或者圖像的方式傳遞給工作人員，缺少直觀性，很多關(guān)鍵信息難以在第一時(shí)間被工作人員查詢到[4]。

綜上所述，本文引入扁平化指揮體系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控系統(tǒng)的層級(jí)大大減少，指揮中心可以直接指揮監(jiān)控系統(tǒng)，并快速反映出監(jiān)控結(jié)果。利用扁平化體系設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力，實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)、測(cè)量范圍廣，通過(guò)視頻監(jiān)控的方式記錄監(jiān)控內(nèi)容，使監(jiān)控效果更加清晰，工作人員可以更加直觀地了解到需要了解的內(nèi)容，查詢到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的整體環(huán)境，以便于下發(fā)管理策略。

1? 智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)操作過(guò)程，避免環(huán)節(jié)過(guò)多而導(dǎo)致的信息外泄，本文基于扁平化指揮設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件共分為三個(gè)模塊，分別為：信息采集模塊、通信模塊和主控模塊，每個(gè)模塊選用不同的芯片，利用不同的電路連接。

設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

觀察圖1可知，基于扁平化智慧設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端共有4個(gè)：傳感器模塊、控制器模塊、GPRS無(wú)線模塊以及電源模塊。分模塊的設(shè)計(jì)方案使系統(tǒng)在監(jiān)控時(shí)更加有針對(duì)性，延展能力和擴(kuò)展能力更強(qiáng)。

傳感器探測(cè)的實(shí)驗(yàn)室參數(shù)主要有3個(gè)：門磁開關(guān)、實(shí)驗(yàn)室溫度、是否存在煙霧[5]。利用GPRS無(wú)線傳輸模塊傳輸傳感器采集到的各種信息，再通過(guò)單片機(jī)控制監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用統(tǒng)一的電源提供電量，電壓為12 V，電量在傳輸?shù)礁鱾€(gè)芯片之前會(huì)經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換，防止電壓過(guò)高，損傷芯片[6]。

1.1? 信息采集模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部擁有多個(gè)傳感器，能夠很好地采集信號(hào)，具備實(shí)時(shí)性。本文僅針對(duì)門磁傳感器和溫度傳感器做詳細(xì)研究。

門磁開關(guān)傳感器負(fù)責(zé)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室不使用時(shí)，該傳感器就會(huì)啟動(dòng)工作，實(shí)時(shí)探測(cè)是否有外界人員入侵，一旦發(fā)現(xiàn)存在外界人員入侵，傳感器會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)聲，并通過(guò)短信與實(shí)驗(yàn)室的管理員聯(lián)系[7]。

門磁傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

觀察圖2可知，由于本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)占地面積很小，所以門磁開關(guān)傳感器外形尺寸[8]也對(duì)應(yīng)減小，為70 mm×35 mm×11 mm。傳感器能夠發(fā)射30 mW的功率，在工作時(shí)需要的電流為10 mA，需要的電壓為12 V，內(nèi)部選用的電池為A23，該電池為報(bào)警專用電池，工作頻率為315 MHz，門磁開關(guān)內(nèi)部同時(shí)擁有編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272。

在設(shè)計(jì)出門磁傳感器后，設(shè)計(jì)溫度傳感器，通過(guò)溫度傳感器分析環(huán)境問(wèn)題，如果實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)火災(zāi)，溫度傳感器也能夠起到報(bào)警作用。選用的溫感器件為AD590，不僅能夠測(cè)量攝氏溫度，同時(shí)，能夠測(cè)量熱力學(xué)溫度。AD590體積很小，線性度好，測(cè)量時(shí)工作狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)量范圍為-50～150 ℃，測(cè)量誤差[9]僅為0.2 ℃。經(jīng)過(guò)AD590傳感器的電壓要控制在4～30 V之間，允許的電壓變化范圍為4～6 V，AD590能夠承受的正向電壓為44 V，負(fù)向電壓為20 V，即使器件被反接，也不會(huì)損壞。測(cè)量檔位共有5擋，記錄成A，B，C，D，E，精確度極高。

測(cè)溫電路如圖3所示。

觀察圖3可知，測(cè)溫電路的主要功能是將得到的電流參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。其中，AD590作為電流輸出元件，溫度升高1 K，電流就會(huì)增加1 μA。測(cè)溫電路中加入了3個(gè)放大器，每經(jīng)過(guò)一次放大，就會(huì)得到一個(gè)新的電壓值，通過(guò)LED顯示溫度變化結(jié)果[10]。

1.2? GPRS模塊設(shè)計(jì)

本文選用的微處理器為MCS?51，該處理器成本低，性能好，操作靈活，能夠使系統(tǒng)硬件更加穩(wěn)定可靠。MCS?51微處理器內(nèi)部選用的芯片為AT89S52芯片，該芯片為Atmel公司生產(chǎn)，選用的技術(shù)為高密度存儲(chǔ)技術(shù)，能夠與單片機(jī)很好兼容。擦寫周期高達(dá)1 000次，加密程序分為3級(jí)，系統(tǒng)硬件的操作方式為靜態(tài)操作，工作頻率為0～33 Hz，芯片內(nèi)部擁有14個(gè)可編程的I/O口線，2個(gè)串行通道，3個(gè)定時(shí)器和5個(gè)18位計(jì)時(shí)器，同時(shí)加入2個(gè)數(shù)據(jù)指針，提高精度。當(dāng)芯片不工作時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的休眠模式，休眠模式提供的電流[11]為2.5 mA。

GPRS模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

觀察圖4可知，設(shè)計(jì)的GPRS模塊采用的結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)時(shí)彼此分開，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量最高可達(dá)到64 KB，每個(gè)字節(jié)都有對(duì)應(yīng)的地址。尋址方式為先外部后內(nèi)部。存儲(chǔ)模塊內(nèi)部鍵入晶體振蕩器，作為時(shí)鐘電路核心部件，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)提供必要的時(shí)序控制[12]。

1.3? 電源模塊設(shè)計(jì)

由于電路在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻抗，使線路中電壓不穩(wěn)定，所以本文在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，線路盡量加寬，使電壓更加穩(wěn)定。

本文設(shè)計(jì)的電源電路圖如圖5所示。

由于電路在輸入時(shí)還會(huì)存在靜電和脈沖，因此，輸入的電路要具備抗浪涌、抗脈沖差模干擾的能力。模塊在發(fā)射時(shí)，設(shè)定峰值功率為7～8 W，設(shè)定峰值電流為2 A。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，要特別考慮電源功率，同時(shí)，串入感性器件，使電源電路的抗干擾能力更強(qiáng)。但電源內(nèi)部的電池與系統(tǒng)的模塊不能串聯(lián)其他器件，防止其他器件影響電池[13]。在電路的客戶端口加入PCB板，因此，電路的電源線要走最外層，便于PCB板散熱。

圖5中的電源電路還加入了TVS管，提高系統(tǒng)對(duì)靜電的抑制能力，并加快響應(yīng)速度，使系統(tǒng)電源電路的響應(yīng)速度達(dá)到ns級(jí)。系統(tǒng)開啟電壓不同，選擇的TVS管也不同，通常TVS管不能超過(guò)電源電壓1～2 V，如果超過(guò)這一值，TVS管的抑制效果會(huì)大大降低。

2? 智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于扁平化指揮設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，有效提高監(jiān)控過(guò)程的穩(wěn)定性以及監(jiān)控結(jié)果的可靠性。為使系統(tǒng)更加完善，本文根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)軟件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊和視頻監(jiān)控模塊。

2.1? 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)兩方面工作：控制監(jiān)控系統(tǒng)電源;在數(shù)據(jù)進(jìn)行交換時(shí)，起到保護(hù)作用。

為了確保驅(qū)動(dòng)模塊能夠始終處于工作狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了兩種啟動(dòng)模式：第一種啟動(dòng)模式為按鍵啟動(dòng);第二種啟動(dòng)模式為時(shí)鐘啟動(dòng)。通常情況下會(huì)選擇第一種模式，但是如果第一種啟動(dòng)模式難以啟動(dòng)軟件程序，則要選擇第二種模式。

驅(qū)動(dòng)模塊程序工作流程如圖6所示。

觀察圖6可知，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)上電復(fù)位之后，會(huì)同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)步驟，分別是系統(tǒng)初始化和軟件復(fù)位處理，在測(cè)試系統(tǒng)工作正常后，驅(qū)動(dòng)程序的鍵盤才能顯示中斷。鍵盤中斷之后，判斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果監(jiān)控的數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)警設(shè)備則會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，提醒工作人員;如果監(jiān)控到的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)，則監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且將處理的結(jié)果顯示在LED屏上。

2.2? 視頻監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

相較于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，本文在軟件程序中加入了視頻監(jiān)控程序，通過(guò)視頻監(jiān)控來(lái)保障監(jiān)控結(jié)果的精準(zhǔn)性。每個(gè)視頻客戶端都會(huì)設(shè)定相應(yīng)的IP地址和端口地址，方便工作人員查找，同時(shí)，在程序內(nèi)部加入GSM調(diào)試助手，進(jìn)行必要的調(diào)解工作。需要特別指出的是，端口號(hào)和客戶端必須要保持一致。監(jiān)控程序界面如圖7所示。

3? 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1? 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了檢測(cè)本文基于扁平化指揮的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際效果，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

3.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用本文研究的基于扁平化指揮的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安全監(jiān)控，記錄溫度異常檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間、煙霧異常檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)得到的結(jié)果對(duì)兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行具體分析。

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8，圖9所示。觀察圖8可知，隨著實(shí)驗(yàn)室異常溫度的增加，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和本文研究的監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間都會(huì)有所減少，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間始終多于本文研究的系統(tǒng)。當(dāng)異常溫度為0.1 ℃時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)需要0.9 ms能夠檢測(cè)到，本文系統(tǒng)需要0.8 ms能夠檢測(cè)到，這種差距到了后期愈加明顯;當(dāng)異常溫度達(dá)到0.9 ℃時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)需要花費(fèi)0.5 ms才能檢測(cè)到，而本文系統(tǒng)僅花費(fèi)0.05 ms就可以檢測(cè)到監(jiān)控結(jié)果，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

觀察圖9可知：當(dāng)煙霧異常濃度為1%LEL時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.9 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.4 ms;當(dāng)煙霧異常濃度為3%LEL時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.45 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.13 ms;當(dāng)煙霧異常濃度為5%LEL時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.2 ms，本文系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.03 ms。由此可見，本文研究的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很短，實(shí)驗(yàn)室一旦出現(xiàn)安全隱患，該系統(tǒng)能夠立即監(jiān)控出來(lái)，并且發(fā)出警報(bào)聲，提醒工作人員第一時(shí)間采取解決辦法。

3.4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相較于傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，本文研究的基于扁平化指揮體系的智能實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)具備信息采集功能、信息處理功能、監(jiān)督功能、管理功能和控制功能。能夠?qū)ΡO(jiān)控過(guò)程產(chǎn)生的各種實(shí)時(shí)信息進(jìn)行采集，通過(guò)預(yù)處理以新的采樣形式輸出，確保工作人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)都是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)分離、分析、歸納得到的數(shù)據(jù)，篩選掉無(wú)用數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)。本文研究的系統(tǒng)還增設(shè)了報(bào)警設(shè)備，一旦監(jiān)控到異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲，提醒工作人員迅速采取措施解決異常。對(duì)于常規(guī)操作，本文設(shè)定的系統(tǒng)具備控制能力，可在允許的范圍內(nèi)對(duì)各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)解。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文利用的主要體系為扁平化指揮體系，在安全監(jiān)控系統(tǒng)終端加入了傳感器技術(shù)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了有效的監(jiān)控方案。通過(guò)引入現(xiàn)代化的通信方式提高監(jiān)控技術(shù)的智能性，加入單片機(jī)AT89S52和GPRS模塊對(duì)硬件進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)得到的硬件系統(tǒng)開發(fā)各項(xiàng)軟件模塊。

該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控領(lǐng)域有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是也具備一定的局限性：選用的單片機(jī)為8位單片機(jī)，作為監(jiān)控終端處理能力有限;網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與理論值存在一定差異;加入TCP協(xié)議后，監(jiān)控的數(shù)據(jù)量增多;缺少有效的數(shù)據(jù)庫(kù)。未來(lái)在設(shè)計(jì)和研究時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求對(duì)上述幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行修正處理。

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