“云-管-端”架構(gòu)下實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

荀 磊

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226007）

實驗室作為教學(xué)、科學(xué)研究與創(chuàng)新的重要基地，在培養(yǎng)人才的過程中發(fā)揮著重要的作用。隨著國家對實驗室投入的逐年增加，實驗室的規(guī)模和數(shù)量快速提升，這些變化對實驗室的管理，尤其是實驗室的安全管理提出了更高要求。[1]根據(jù)相關(guān)媒體報道，僅2021 年國內(nèi)就有多起實驗室安全事故發(fā)生，比如3 月份北京某化學(xué)研究所實驗室爆炸造成1 人死亡，7 月份南方某大學(xué)實驗室火災(zāi)造成1 人燒傷，10 月份南京某大學(xué)實驗室發(fā)生爆燃造成2 死9 傷。因此，研究保證實驗室安全管理的舉措刻不容緩。分析近幾年的實驗室安全事故可以發(fā)現(xiàn)，管理人員沒能及時掌握實驗室環(huán)境的變化是事故發(fā)生的重要原因[2]，究其根源還是缺乏適合的監(jiān)測系統(tǒng)作為支撐，不能實時、可靠地監(jiān)測到實驗室運行環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，本文根據(jù)實驗室安全運行相關(guān)要求，設(shè)計了一個基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可在線遠程監(jiān)測實驗室環(huán)境的系統(tǒng)。[3-6]

1 實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

為了方便管理人員實時遠程監(jiān)測實驗室運行環(huán)境，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)由“云”“管”“端”3 部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。[7-8]“云”指的是云平臺，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲、可視化和下行控制管理等?！肮堋敝傅氖蔷W(wǎng)絡(luò)，主要實現(xiàn)“云”與“端”之間數(shù)據(jù)的傳輸控制。“端”指的是監(jiān)測終端，主要實現(xiàn)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、顯示、處理和上傳等。

圖1 實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分由“端”中的環(huán)境監(jiān)測模塊和“管”中的通信模塊組成。環(huán)境監(jiān)測模塊主要功能是對實驗室中的溫濕度、煙霧濃度等情況進行監(jiān)測、顯示、上報、異常報警和處理，主要電路有電源電路、單片機最小系統(tǒng)電路、溫濕度監(jiān)測電路、火災(zāi)監(jiān)測電路、顯示電路、報警電路、閾值設(shè)置電路和執(zhí)行器驅(qū)動電路。通信模塊主要功能是接收環(huán)境監(jiān)測模塊中的數(shù)據(jù)并上傳至OneNET云平臺，再轉(zhuǎn)發(fā)云平臺命令至環(huán)境監(jiān)測模塊，主要電路為M5311 電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 電源電路

系統(tǒng)工作需要5 V 和3.3 V 兩種電壓，5 V 電壓由電源適配器直接提供，3.3 V 電壓則要通過ASM1117芯片經(jīng)5 V 降壓才能得到。電源電路見圖3。

圖3 電源電路

2.2 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機最小系統(tǒng)電路如圖4 所示，電路由STM32F103C8T6 芯片、復(fù)位電路、晶振電路和串行調(diào)試接口電路組成。

圖4 單片機最小系統(tǒng)電路

2.3 閾值設(shè)置電路

閾值設(shè)置電路通過3 個按鍵（分別為KEY1、KEY2、KEY3）對溫度、濕度和煙霧濃度的閾值進行設(shè)置，其中 KEY1 為“SET”鍵，KEY2 是“+”鍵，KEY3 是“-”鍵，電路圖見圖 5。

圖5 閾值設(shè)置電路

2.4 顯示電路

顯示電路采用OLED 顯示屏，該顯示屏有7 個外接引腳，點陣數(shù)是128 列×64 行，接口采用SPI 串口、控制驅(qū)動器是SH1106G，其7 個外接引腳和主控芯片相關(guān)引腳的連接如圖6 所示。

圖6 顯示電路

2.5 溫濕度監(jiān)測電路

采用DHT11 模塊監(jiān)測溫濕度，DHT11 模塊是溫濕度復(fù)合傳感器，采用單線制串行接口，有4 個外接引腳，4 個外接引腳和主控芯片相關(guān)引腳的連接如圖7 所示。

圖7 溫濕度監(jiān)測電路

2.6 火災(zāi)監(jiān)測電路

火災(zāi)監(jiān)測電路根據(jù)煙霧濃度和火焰情況來判斷是否有火災(zāi)，由有4 個外接引腳的MQ-2 煙霧傳感器模塊和有3 個外接引腳的紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K來實現(xiàn)此功能?；馂?zāi)監(jiān)測電路中只使用了這兩種傳感器模塊的開關(guān)量輸出功能。火災(zāi)檢測電路見圖8。

圖8 火災(zāi)監(jiān)測電路

2.7 報警電路

報警電路由三極管、電阻和有源蜂鳴器組成，通過主控芯片的PB2 口控制三極管對蜂鳴器進行驅(qū)動，其電路如圖9 所示。

圖9 報警電路

2.8 執(zhí)行器驅(qū)動電路

執(zhí)行器驅(qū)動電路如圖10 所示，電路由二極管、三極管、電磁繼電器和電阻組成。系統(tǒng)初始化后成功連接OneNET 云平臺，采集溫濕度、煙霧濃度和火焰相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否超過閾值。如果溫濕度值高于閾值，執(zhí)行器驅(qū)動風(fēng)扇工作；如果煙霧濃度高于閾值或者存在火焰，執(zhí)行器驅(qū)動噴水裝置工作。

圖10 執(zhí)行器驅(qū)動電路

2.9 M5311 電路

M5311 是一款高性能、低功耗的NB-IoT 無線通信模組，滿足中國移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通用模組技術(shù)規(guī)范。M5311 的電路由 NB 模組電路（圖 11）、NanoSIM 卡電路（圖 12）、貼片SIM 卡電路（圖 13）和UART 電平轉(zhuǎn)換電路（圖14）組成。

圖11 NB 模組電路

圖12 NanoSIM 卡電路

圖13 貼片SIM 卡電路

圖14 UART 電平轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計

實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片STM32F103C8T6 通過主控的串口和M5311 模組進行通信，M5311 模組將實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至中國移動OneNET 云平臺，接收云平臺下發(fā)的操作命令。嵌入式代碼通過STM32CubeMX 生成HAL庫工程文件，以KEIL 作為軟件開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)通電后，完成主控芯片的初始化設(shè)置和M5311 模組連接中國移動OneNET 云平臺的設(shè)置。通過按鍵設(shè)置溫濕度和煙霧濃度閾值，然后通過傳感器監(jiān)測實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)。如果監(jiān)測到火災(zāi)，則立即報警并啟動噴水裝置，并將異常數(shù)據(jù)上傳到云平臺；如果收到OneNET 讀環(huán)境數(shù)據(jù)請求則回復(fù)請求，如果監(jiān)測到溫濕度超過閾值則啟動風(fēng)扇工作，定時10 min 后把最新監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)更新至云平臺。系統(tǒng)的主程序流程如圖15 所示。

圖15 主程序流程圖

主控芯片初始化設(shè)置包括GPIO、串行口和定時器相關(guān)設(shè)置，其中GPIO 相關(guān)設(shè)置包括連接溫濕度、煙霧、火焰、OLED 屏、報警器、閾值設(shè)置和執(zhí)行器驅(qū)動的相關(guān)GPIO 初始化設(shè)置。串行口初始化設(shè)置包括串口1 和串口2 相關(guān)參數(shù)設(shè)置。定時器相關(guān)設(shè)置包括TIM3 中相關(guān)寄存器參數(shù)的設(shè)置。

M5311 模組連接中國移動OneNET 云平臺設(shè)置包括云平臺側(cè)設(shè)置和M5311 模組側(cè)設(shè)置。其中，云 平臺側(cè)設(shè)置包括創(chuàng)建LwM2M 產(chǎn)品、創(chuàng)建LwM2M 設(shè)備和設(shè)備管理界面相關(guān)設(shè)置。M5311 模組側(cè)設(shè)置包括模組初始化及駐網(wǎng)、創(chuàng)建設(shè)備實體、資源訂閱中Object 和Resource 配置、發(fā)起登錄和OneNET 數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.2 OneNET 數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計

OneNET 數(shù)據(jù)收發(fā)包括數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)，其中數(shù)據(jù)上傳即將實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)通過MIPLNOTIFY指令上傳至云平臺，其流程見圖16。命令下發(fā)即云平臺下發(fā)讀操作指令，M5311 模組接收到指令后通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控芯片STM32F103C8T6，讀取實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳最新數(shù)據(jù)至云平臺，其流程見圖17。

圖16 數(shù)據(jù)上傳流程

圖17 命令下發(fā)流程

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)設(shè)計是否可靠，選擇某大學(xué)的實驗室進行系統(tǒng)的軟硬件測試，該實驗室是模擬電子技術(shù)實驗室，實驗室里主要儀器設(shè)備有示波器、信號發(fā)生器、毫伏表、實驗箱等。

在OneNET 云平臺應(yīng)用管理選項中通過應(yīng)用編輯器View 2.0 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及發(fā)布，通過點擊更新最新數(shù)據(jù)按鈕可以獲取最新的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，①鏈接地址是https：//open.iot.10086.cn/view/main/index.html#/share2d?id=61c93021f743fc00358d7453。OneNET 云平臺監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)如圖18 所示。

圖18 實驗室環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

進一步測試系統(tǒng)的運行效果，設(shè)置溫度閾值為26℃，濕度閾值為75%，煙霧濃度閾值為5%，采用恒溫恒濕試驗箱、打火機、煙等模擬不同的溫濕度、火焰和煙霧場景，記錄系統(tǒng)運行情況并與實際情況進行對比，測試記錄見表1。經(jīng)過現(xiàn)場測試，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，相關(guān)傳感器將監(jiān)測到的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺所需時間約2 s，響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率高，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確，報警器和執(zhí)行器能及時工作。

表1 系統(tǒng)測試記錄表

5 結(jié)語

“云-管-端”架構(gòu)的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測實驗室環(huán)境中溫濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)。實驗室管理人員可以在計算機端或者手機端輸入鏈接地址隨時隨地查看實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，及時消除安全隱患，能實現(xiàn)實驗室的安全高效管理。