實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃秋萍,陳海云,葉 凱

(浙江師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004)

在“大眾創(chuàng)業(yè),萬(wàn)眾創(chuàng)新”的新時(shí)代背景下,培養(yǎng)思維活躍、具有創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才已成為高等學(xué)校人才培養(yǎng)的基本要求。培養(yǎng)創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力的本質(zhì)就是鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、多實(shí)踐,在實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生綜合能力的協(xié)調(diào)發(fā)展,高校實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)的重要場(chǎng)所,更是學(xué)生鍛煉動(dòng)手能力的重要基地。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,高校實(shí)驗(yàn)室在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外,提供了各種廣度和深度的開(kāi)放服務(wù)[1-2],部分高校還增設(shè)了各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,為學(xué)生提供競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的孵化基地。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放力度的加大及各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建立在促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的同時(shí),也使實(shí)驗(yàn)室安全、防火防盜等管理工作面臨極大的挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)室工作的重中之重[3-4]。目前現(xiàn)有的智能產(chǎn)品和防護(hù)系統(tǒng)通常只側(cè)重于某一方面,如溫濕度的檢測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)、智能安防報(bào)警等,缺少不同功能系統(tǒng)的整合,尤其是與智能斷電功能的整合。

為了更好地管理實(shí)驗(yàn)室,針對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、節(jié)能斷電及防盜報(bào)警等現(xiàn)實(shí)需求,本文設(shè)計(jì)了一款多功能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng),通過(guò)人體感應(yīng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)。在工作模式下,根據(jù)人數(shù)是否為零自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉電源,實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制功能;系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度等參數(shù),同時(shí)兼具日歷和時(shí)鐘功能。系統(tǒng)處于防護(hù)模式時(shí),若檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)不為零,則系統(tǒng)通過(guò)SIM短信模塊向設(shè)定的管理員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。不管是工作模式還是防護(hù)模式,可燃?xì)怏w超標(biāo)時(shí),系統(tǒng)將立即啟動(dòng)聲音和短信報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能安全防護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的主要模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,硬件連接原理圖如圖2所示。主控模塊采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī),具有高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn),用以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種環(huán)境參數(shù)量的采集、運(yùn)算和顯示的控制,并實(shí)現(xiàn)與短信模塊的通信。

圖1 系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件連接原理圖

環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊包括DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和MQ-5氣體傳感器。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,可靠性和穩(wěn)定性高,具有成本低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。溫度測(cè)量范圍-20～+60 ℃,測(cè)量誤差±2 ℃,濕度測(cè)量范圍為5%～95%,測(cè)量誤差為±5%[5,6]。DHT11的DATA信號(hào)與單片機(jī)的P0.5引腳相連,單片機(jī)依據(jù)DHT11輸出時(shí)序格式讀取溫濕度數(shù)據(jù)。MQ-5氣體傳感器以電導(dǎo)率較低的SnO2作為氣敏材料,對(duì)甲烷的檢測(cè)有很高的靈敏度,檢測(cè)濃度范圍可達(dá)300～10 000 ppm[7-10]。MQ-5的AO輸出模擬信號(hào)接單片機(jī)的P1.5引腳,利用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),供LCD顯示。

SIM短信模塊采用SIM900A,支持2G、3G和4G手機(jī)卡,插入手機(jī)卡即可自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò),該模塊體積小巧、功耗低,支持短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)送彩信、DTMG、HTTP、FTP、PPP撥號(hào)等功能。SIM900A模塊板載工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊,支持900/1800Mhz雙頻工作頻段,可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和GPRS數(shù)據(jù)的傳輸[11-14]。單片機(jī)通過(guò)RXD、TXD與SIM900A相連,串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令控制SIM短信模塊發(fā)送設(shè)定好的短信內(nèi)容至指定管理員手機(jī)。

人體感應(yīng)系統(tǒng)由超聲波模塊HC-SR04和微型紅外熱釋電模塊SR602組成。超聲波模塊HC-SR04可實(shí)現(xiàn)2-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能,測(cè)量精度為3 mm[15]。微型紅外熱釋電模塊SR602能在0～5 m范圍內(nèi)感測(cè)到人體發(fā)射的紅外信號(hào),可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)人體的感應(yīng)檢測(cè)[16]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在門(mén)外和門(mén)內(nèi)分別安裝一組SR602紅外熱釋電模塊與HC-SR04超聲波模塊,超聲波模塊通過(guò)測(cè)量距離變化感知門(mén)框中物體存在,再由紅外熱釋電模塊確認(rèn)是人體,兩者組合使用進(jìn)行雙重判斷,能更準(zhǔn)確地檢測(cè)到人體,防止誤判。同時(shí),超聲波輔助檢測(cè)可彌補(bǔ)紅外熱釋電傳感器對(duì)靜止人體紅外信號(hào)不敏感的不足。通過(guò)門(mén)內(nèi)外兩組人體感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)的先后順序可判定人員的進(jìn)出狀況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。門(mén)內(nèi)外SR-602模塊的OUT信號(hào)分別接單片機(jī)的P0.3和P0.4引腳,兩組HC-SR04模塊的Trig和Echo信號(hào)分別連單片機(jī)的P1.4、P1.3和P3.6、P3.7引腳。

此外,該系統(tǒng)還配置有時(shí)鐘模塊DS1302,用于生成日歷和時(shí)間信號(hào)供單片機(jī)讀取顯示,增強(qiáng)實(shí)用性。DS1302模塊的CLK、DAT和RST信號(hào)分別連接單片機(jī)的P1.0、P1.1和P1.2引腳,單片機(jī)采用同步串行方式讀取模塊數(shù)據(jù)。顯示模塊是常用的LCD1602,用于顯示日期、時(shí)間及其它環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息。

智能控制系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示,系統(tǒng)每隔2 s采集一次人體感應(yīng)和環(huán)境數(shù)據(jù),根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)置的“工作”或“防護(hù)”模式,綜合判斷并做出響應(yīng)。

圖3 系統(tǒng)控制軟件流程圖

處于工作模式時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)是否為零來(lái)控制燈光開(kāi)關(guān)和電源輸出。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)為零時(shí),系統(tǒng)控制延時(shí)關(guān)燈并停止部分電源輸出,檢測(cè)到人數(shù)不為零時(shí)自動(dòng)恢復(fù)供電。處于防護(hù)模式時(shí),默認(rèn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)為零,若系統(tǒng)檢測(cè)到人數(shù)不為零,則報(bào)警器發(fā)出聲音警報(bào),同時(shí)向設(shè)定的手機(jī)發(fā)送入侵報(bào)警短信。可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時(shí),在兩種模式下都能立即啟動(dòng)聲音和短信報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能。

2 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)完成的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)控樣機(jī)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)控制樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖

工作模式下的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示,LCD1602顯示的內(nèi)容從左至右第一行依次為年、月、日、星期、室內(nèi)人數(shù)、當(dāng)前模式和可燃?xì)怏w濃度,其中“N”表示工作模式,防護(hù)模式時(shí)顯示為“K”;第二行為時(shí)間、溫度和濕度。圖5(a)所示為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)為零,系統(tǒng)檢測(cè)到有人進(jìn)入時(shí),人數(shù)加一,開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電源(樣機(jī)中以白色LED點(diǎn)亮指示),如圖5(b)所示。人數(shù)再次減為零后,白色LED將延時(shí)40 s后熄滅,即延時(shí)關(guān)閉室內(nèi)電源。

(a) 人數(shù)為零

防護(hù)模式下的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示,正常狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)應(yīng)為零,如圖6(a)所示;若監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)不為零,如圖6(b)所示,則意味著有人入侵,系統(tǒng)將在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào),同時(shí)發(fā)送短信至管理員手機(jī),如圖7(a)所示。若可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)結(jié)果超標(biāo),不管是在工作模式還是防護(hù)模式下,系統(tǒng)都將同時(shí)開(kāi)啟聲音報(bào)警和短信報(bào)警,短信報(bào)警內(nèi)容如圖7(b)所示。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)能有效檢測(cè)和記錄實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù),異常報(bào)警及時(shí)可靠,同時(shí)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確。

(a) 人數(shù)為零

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)人體感應(yīng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù),在工作模式下實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室照明和其它電源系統(tǒng)的智能控制,以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。系統(tǒng)在防護(hù)模式時(shí),可根據(jù)室內(nèi)人數(shù)判斷實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是否正常,異常狀態(tài)時(shí)通過(guò)短信向管理員報(bào)警。在節(jié)能控制與智能防護(hù)功能之外,系統(tǒng)同時(shí)具備萬(wàn)年歷功能,可以顯示日期、時(shí)間、溫度和濕度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù),并能對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)會(huì)立即通過(guò)聲音和短信向管理員報(bào)警。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,環(huán)境參數(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確可靠,適用于實(shí)驗(yàn)室,尤其適用于各類開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,可以有效配合實(shí)驗(yàn)室的安全管理工作,具有較大的實(shí)用價(jià)值,同時(shí)也能為學(xué)生提供一個(gè)安全可靠、自由度更高的良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,在新時(shí)代背景下助力高校培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。