一種基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設計

金煒翔 賴忠喜

（臺州職業(yè)技術學院機電工程學院 浙江省臺州市 318000）

1 引言

高校實驗室是高等學校進行實驗實訓、科研創(chuàng)新的重要場所，實驗室里存放著大量的實驗設備、精密的科研儀器、危險的化學藥品等，而且實驗室使用頻繁，一旦發(fā)生意外，嚴重威脅到科研人員和學生人身安全的同時，也會給高校帶來巨大的財產(chǎn)損失，實驗室的安全問題已成為實驗室工作中的重中之重，目前我國大部分高校實驗室監(jiān)測系統(tǒng)存在如下不足：一是傳統(tǒng)實驗實監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測方式單一，需要好幾套系統(tǒng)來實現(xiàn)實驗室監(jiān)控所有功能，缺少集中化、綜合化等優(yōu)點，二是傳統(tǒng)實驗室監(jiān)控系統(tǒng)采用短信報警的方式來提醒實驗室發(fā)生災情，而管理人員不知道實驗室所發(fā)生報警時的實時畫面，三是實驗室監(jiān)控系統(tǒng)信息化程度低，實驗室環(huán)境無法實時監(jiān)控等問題，為此本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了火災預警、實驗室環(huán)境監(jiān)控、防盜、智能門禁、實驗室設備遠程監(jiān)控等功能，能及時發(fā)現(xiàn)和處理實驗室各種安全隱患，解決了傳統(tǒng)實驗室安全性差、監(jiān)控功能不完善等問題。

2 系統(tǒng)整體設計

圖1 為一種基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構框圖，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、門禁模塊、聲光報警模塊、控制器模塊、執(zhí)行模塊、Wi-Fi 通信模塊、攝像頭模塊、顯示模塊和電源模塊等構成，控制器模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊采集實驗室的環(huán)境參數(shù)，然后根據(jù)所采集的這些參數(shù)對各個模塊進行相應的控制，使實驗室處在一個舒適的環(huán)境下，同時系統(tǒng)會將實驗室相關參數(shù)、設備狀態(tài)上報給阿里云服務器，云服務器再將相關數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端APP 上，當實驗室出現(xiàn)報警的情況時，系統(tǒng)會拍攝現(xiàn)場照片并將照片和報警信息等相關數(shù)據(jù)推送至云服務器和手機APP 上，管理人員在阿里云平臺和手機APP 上都能看到實驗室的環(huán)境參數(shù)、設備狀態(tài)、報警信息和所拍攝的現(xiàn)場照片等信息，同時也可通過手機APP 也可對實驗室的執(zhí)行設備進行控制，從而實現(xiàn)對實驗室的遠程監(jiān)控。

圖1： 系統(tǒng)總體結構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制器模塊的選擇

控制器模塊采用意法半導體公司生產(chǎn)的一款基于CORTEX M4 內核的STM32F407ZGT6 單片機, 該單片機功能強大，主時鐘高達168MHZ，具有192KB SRAM、1024KB FLASH、2 個DMA 控制器（共16 個通道）、3 個SPI、3 個IIC、6 個串口、17 個定時器、2 個CAN、3 個12 位精度的ADC、1 個FSMC 接口、1 個RTC 以及114 個通用IO 口等資源，而且其內部還自帶有數(shù)字攝像頭接口(DCMI)，能進行復雜的計算與控制，非常適合在此場合應用。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集實驗室的環(huán)境參數(shù)，包括光照度檢測模塊、溫濕度檢測模塊、可燃氣體檢測模塊、火焰檢測模塊、震動傳感檢測模塊和人體紅外檢測模塊。其部分電路原理圖如圖2 所示，光照度檢測模塊采用BH1750 光強度傳感器，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型環(huán)境光強度傳感器，供電電壓為3-5V，傳感器內置16bitAD 轉換器，省略復雜計算和標定，通過相應的指令操作即可讀取出內部存儲的光照度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標準的 I2C 總線，按照時序要求操作起來非常方便，其電路原理如圖2(a)所示。

圖2： 數(shù)據(jù)采集模塊部分電路原理圖

溫濕度檢測模塊采用的DHT11數(shù)字溫濕度復合傳感器，其輸出的溫濕度就是數(shù)字量，電路中不需使用A/D進行轉換，溫度精度±2℃，測量范圍 0～50℃，空氣相對濕度±5%RH，測量范圍為20～90%RH。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器連接方法很簡單，如圖2（b）所示，DHT11 的第1 和第4 引腳分別接到3.3V 電源和GND 上，單片機的PB14 引腳與作為數(shù)據(jù)端口的DHT11 的第二引腳相連接，同時為了保護單片機的I/O 口和防止信號干擾，在PB14 引腳上接一個5K 的上拉電阻。

可燃氣體檢測模塊采用MQ-2 氣體傳感器，該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)，當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，其輸出的電壓數(shù)值就越大。其電路原理圖如圖2(c)所示， MQ-2 傳感器的第4 腳和第6 腳為輸出的電壓模擬量信號，與單片機的PF7 相連接，采用單片機自帶的12 位A/D 模塊實現(xiàn)采集信號的模數(shù)轉換。

震動傳感檢測模塊采用SW-420 型震動傳感模塊，該模塊以輸出引腳的高低電平來判斷震動的檢測狀態(tài)。當檢測到外部有振動信號的時候，其輸出引腳會輸出一個高電平，信號指示燈亮起。并且可以通過調節(jié)模塊的變位器調節(jié)模塊的靈敏度，降低模塊誤報率。傳感器的輸出引腳與STM32 單片機的 PB15 相連接，其電路原理圖如圖2(d)所示。

火焰檢測模塊采用Risym 火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器可以檢測火焰或者波長在760 納米～1100 納米范圍內的紅外光源，探測角度60 度左右，對光焰光譜特別靈敏，工作電壓3.3-5V，該傳感器可以將環(huán)境中的紅外光的強弱變化轉換成電流大小的變化，然后經(jīng)過單片機的A/D轉換模塊后變成數(shù)值的變化。人體紅外檢測模塊采用由HC-SR501 人體紅外感應傳感器，該傳感器也是通過輸出引腳的高低電平來判斷實驗室來人狀況。

3.3 繼電器模塊的設計

繼電器模塊電路原理圖如圖3 所示，由于單片機的I/O口不能直接驅動繼電器，因此采用三極管放大來驅動繼電器，為避免信號之間的相互干擾，系統(tǒng)采用開關光耦將輸出通道進行隔離，當STM32 單片機的PG6 輸出為低電平時，光耦導通，三極管Q4 飽和導通，D11 指示燈點亮，繼電器線圈通電從而控制執(zhí)行設備電氣回路導通啟動工作；當PG6 輸出為高電平時，光耦截止，三極管Q4 處于截止狀態(tài)，繼電器線圈不通電，執(zhí)行設備電氣回路斷開不執(zhí)行動作。

圖3： 繼電器模塊電路原理圖

3.4 電源模塊的設計

電源模塊主要為系統(tǒng)的各個元器件提供電源，本系統(tǒng)中各個元器件所需要的供電電壓為DC12V、5V 和3.3V。其中12V 主要給窗簾電機和電磁門進行供電，采用明緯開關電源將交流220V 轉為直流12V，該開關電源具有短路、過負載和過壓的保護功能，具有體積小，效率高和可靠度高等優(yōu)點。直流12V 轉5V 的轉換芯片采用RT7272B 電源轉換器，RT7272B 是一種高效率，電流模式同步降壓型DC / DC 轉換器，可提供高達3A 的輸出電流，其電路原理圖如圖4 所示， RT7272B 的第3 引腳EN 通過一個電阻接到第8 引腳上，使RT7272B 一直處于使能狀態(tài)，第7 引腳RLIM 通過180K電阻接到GND 端，用來確定電流限值，第6 引腳COMP 通過一個RC 網(wǎng)絡接地，用于補償調節(jié)控制回路，選取合適阻值的電阻R5 和R9，使RT7272B 的輸出為5V 電壓。5V 的電源主要給震動傳感檢測模塊、火焰檢測模塊繼電器模塊和顯示模塊供電，直流5V 轉3.3V 采用LM1805-3.3 線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)， LM1085 是一款單芯片集成的電壓轉換器，提供3A 電流輸出，具備過流和過溫保護，具有可靠的工作性能、較高的工作效率。3.3V 電源主要負責給控制器模塊、WIFI通信模塊、攝像頭模塊等進行供電。

圖4： 電源模塊電路原理圖

3.5 攝像頭模塊的設計

攝像頭模塊采用Omni Vision 公司生產(chǎn)的 1/4 寸 CMOS攝像頭OV2640傳感器，該攝像頭具有體積小，工作電壓 3.3V的低電壓特性，再加上 OV2640 在低照度環(huán)境下仍然具有較高靈敏度，在夜間也能較好的采集圖像，特別適合嵌入式開發(fā)應用。OV264 攝像頭模塊引出的排針接口如圖5 所示，STM32 單片機通過IIC 總線與OV2640 配置端口（SCCB）連接，對OV2640 攝像頭模塊的分辨率大小、圖像格式與圖像方向等功能進行設置，通過自帶的DCMI 總線接口與OV2640 攝像頭DVP 接口相連接，對攝像頭采集到的圖像像素數(shù)據(jù)進行控制輸出，本系統(tǒng)設置攝像頭輸出為UXGA模式，分辨率為1600×1200，并以RGB565 圖像輸出格式來實現(xiàn)輸出圖像數(shù)據(jù)。

圖5： 攝像頭模塊原理圖

3.6 Wi-Fi通信模塊的設計

Wi-Fi 通訊模塊選用ESP8266Wi-Fi 模塊，其電路原理圖 如 圖6 所 示，ESP8266Wi-Fi 模 塊 的RXD、RST、CH_PD、TXD 分別與單片機的PB10、PB13、PB12 和PB10 相連，其中RXD 和TXD 作為數(shù)據(jù)的收發(fā)引腳；RST 引腳連接復位信號，低電平時復位；CH_PD 為ESP8266 的供電控制引腳，低電平可停止供電。ESP8266 Wi-Fi 模塊集成了ESP826EX 芯片和4 MB SPI FLASH, 帶有PCB Wi-Fi 天線，支持SofteAP 模式，station 模式以及混合模式三種Wi-Fi 工作模式，本系統(tǒng)中，ESP8266 采用station 模式，利用透傳功能將數(shù)據(jù)進行上傳。

圖6： Wi-Fi 通信模塊電路原理圖

3.7 其它模塊的設計

顯示模塊主要用于顯示數(shù)據(jù)采集模塊采集到的環(huán)境參數(shù)，同時也顯示按鍵密碼鎖、指紋識別的提示信息和設置實驗室各環(huán)境參數(shù)的閾值，所述顯示模塊采用ATK-4.3 寸TFTLCD 電容觸摸屏，分辨率為 800*480，16 位真彩顯示,采用 NT35510 驅動，該芯片直接自帶 GRAM，無需外加驅動器，該LCD 采用16 位8080 并口，觸摸屏采用IIC 接口與STM32 單片機進行通信，

門禁模塊采用指紋識別技術和按鍵密碼的兩種識別方式實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的認證，指紋識別模塊采用AS608 指紋識別模塊，AS608 指紋識別模塊中內置DSP 運算單元，集成了指紋識別算法，能高效、快速完成指紋圖像的采集、特征提取、特征匹配等指紋識別過程。用戶不必再去研究復雜的指紋識別算法，節(jié)省時間，只需通過模塊配備的串口按照通訊協(xié)議就能實現(xiàn)對指紋模塊的控制。密碼按鍵模塊采用采用4×4 矩陣鍵盤模塊，實現(xiàn)按鍵密碼鎖的功能，模塊引出的8 個引腳與STM32 單片機的GPIO 口連接，通過程序設計實現(xiàn)其相關功能。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以KEIL C5 作為程序編譯軟件，用C 語言編寫具體的程序代碼，圖7 為系統(tǒng)的主程序流程圖，系統(tǒng)開始工作時，首先進行各個模塊的初始化，包括GPIO 端口初始化、串口初始化、定時器初始化、A/D 初始化、LCD 屏幕初始化、Wi-Fi 通信模塊初始化和攝像頭模塊初始化等。接著采用密碼按鍵模塊設置實驗室各環(huán)境參數(shù)的動作閾值和報警閾值，然后數(shù)據(jù)采集模塊采集實驗室的環(huán)境參數(shù)，之后處理門禁系統(tǒng)的請求和TFT 液晶屏的顯示，控制器根據(jù)所采集的實驗實的環(huán)境參數(shù)對各個執(zhí)行機構進行控制，如當定時器定時時間到時，系統(tǒng)自動連接云服務器，同時上傳實驗室的環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)到云服務器，云服務器再將相關數(shù)據(jù)發(fā)送到手機APP 上，接著系統(tǒng)判斷是否有報警事件發(fā)生，報警事件包括：

圖7： 系統(tǒng)主程序流程圖

（1）環(huán)境參數(shù)超出報警閾值；

（2）指紋識別錯誤次數(shù)超過三次；

（3）密碼輸入錯誤次數(shù)超過三次；

（4）有非法入侵者進入實驗室；

（5）發(fā)生火災等報警事件。

如發(fā)生報警，系統(tǒng)馬上會進行聲光報警，同時觸發(fā)攝像頭模塊進行拍攝現(xiàn)場照片，然后通過Wi-Fi 無線通信模塊連接到阿里云服務器，并將實驗室的環(huán)境參數(shù)、設備狀態(tài)、拍攝的照片和報警信息上傳到阿里云平臺，系統(tǒng)使用對象存儲OSS（Object Storage Service）的云儲存服務存儲所拍攝的照片，通過API 接口將所傳送來的圖片數(shù)據(jù)發(fā)送到手機APP 上,在阿里云平臺和手機APP 上都能看到實驗的環(huán)境參數(shù)、設備狀態(tài)、報警信息和所拍攝的現(xiàn)場照片，接著系統(tǒng)會判斷云服務器是否有控制命令發(fā)送給控制器模塊，若有則控制器模塊再驅動相應執(zhí)行模塊進行相應的動作，若沒有系統(tǒng)則重新進行實驗室環(huán)境參數(shù)的采集，進行周而復始的循環(huán)運行。

為在實驗室工作的老師和同學提供一個舒適的環(huán)境。實驗室的執(zhí)行機構控制策略為：

（1）當實驗室采集的溫度或者濕度超出設定的閾值時，則打開空調進行調節(jié)，使實驗室的溫度和濕度控制在人舒適的范圍內。

（2）當實驗室采集的光照度高于設定的最高閾值時，關閉照明裝置并且驅動窗簾系統(tǒng)關閉窗簾以降低室內光線，當實驗室采集的光照度低于設定的最低閾值時，打開照明裝置并且驅動窗簾系統(tǒng)拉開窗簾增強室內光線。

（3）當實驗室采集的可燃性氣體濃度高于設定閾值時，開啟排風裝置。

（4）當系統(tǒng)檢測到實驗室發(fā)生火災時，則開啟滅火裝置。

手機APP 應用程序使用阿里云自帶的IoT Studio 的移動可視化開發(fā)工具開發(fā)，該工具方便地將各種圖表組件與設備相關的數(shù)據(jù)源關聯(lián)，無需編程，即可將物聯(lián)網(wǎng)平臺上接入的設備數(shù)據(jù)進行可視化展現(xiàn)。APP 的測試界面如圖8 所示。

圖8： APP 測試界面

5 總結

為了給實驗室的師生提供一個安全舒適的教科研環(huán)境，實現(xiàn)實驗室的遠程監(jiān)控功能，設計一款基于STM32 的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理各種實驗室發(fā)生的突發(fā)事件，降低了實驗室管理員的工作難度，提高了實驗室的安全性和管理水平，具有一定的應用推廣價值。