基于傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)驗(yàn)中心安防配電系統(tǒng)

杜威，王宇，孟麗囡

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州，121000）

0 引言

隨著我國(guó)高校教學(xué)水平的快速發(fā)展，智能實(shí)驗(yàn)室技術(shù)不斷向各大高校延伸。在智能化系統(tǒng)中，與研究人員日常生活安全問(wèn)題最緊密相關(guān)的是智能安防配電系統(tǒng)，它是以保障安全為目的建立起來(lái)的技術(shù)防范系統(tǒng)[1]。在實(shí)驗(yàn)室智能化系統(tǒng)中，應(yīng)用最為普及的是實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)系統(tǒng)，火災(zāi)、有害氣體泄漏和非法入侵是世界上發(fā)生頻率較高的安防事件，幾乎每天都有火災(zāi)、煤氣泄漏和非法入侵事件發(fā)生，一旦發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏和非法入侵，將對(duì)研究人員以及實(shí)驗(yàn)室的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害，于是各大高校開(kāi)始尋求一種預(yù)先發(fā)現(xiàn)災(zāi)害的方法，以便控制和撲滅火災(zāi)，減少損失，保障生命安全。實(shí)驗(yàn)室智能安防配電系統(tǒng)就是為了滿(mǎn)足這一需求而研制出來(lái)的[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)驗(yàn)中心無(wú)線(xiàn)安防配電管理系統(tǒng)采用“433MHz”無(wú)線(xiàn)傳感組網(wǎng)、NB-IoT/WiFi 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及微信云技術(shù)，結(jié)合智能化實(shí)驗(yàn)中心安防應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)中心的安防監(jiān)測(cè)和管理。系統(tǒng)由單片機(jī)控制部分、無(wú)線(xiàn)發(fā)送接收部分、傳感器信號(hào)調(diào)理部分、電壓電流檢測(cè)部分、分合閘控制部分、NB-IoT/WiFi 數(shù)據(jù)傳輸部分及聲光報(bào)警部分組成，可分別通過(guò)云端服務(wù)器、微信云平臺(tái)及手機(jī)APP 對(duì)實(shí)驗(yàn)室防配電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘、多點(diǎn)防盜監(jiān)測(cè)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)以及燃?xì)饣馂?zāi)監(jiān)測(cè)等功能。具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、處警高效、微信交互以及支持智能化實(shí)驗(yàn)室控制等特點(diǎn)，對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展提供了可靠的安全保障。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

終端主機(jī)以STM32F103ZET6 單片機(jī)為控制核心，采用無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)及NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，將紅外傳感器、煙霧傳感器、有害氣體傳感器溫濕度傳感器、電壓電流檢測(cè)部分及智能分合閘部分構(gòu)成空間安防傳感網(wǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感檢測(cè)信息通過(guò)433MHz 無(wú)線(xiàn)模塊傳送給終端主機(jī)，同時(shí)分合閘機(jī)構(gòu)通過(guò)電壓電流檢測(cè)模塊將動(dòng)作狀態(tài)發(fā)送給終端主機(jī)，若有報(bào)警則由NB-IoT/WiFi 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器。由Web 管理程序處理報(bào)警，以電話(huà)、短信和微信通知管理人員。管理人員可通過(guò)微信與網(wǎng)頁(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)中心安防狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程布撤防及智能分合閘操作；同時(shí)授權(quán)臨時(shí)人員通過(guò)登錄手機(jī)APP 可獲取實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)安防監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中心無(wú)線(xiàn)安防配電管理系統(tǒng)硬件電路以單片機(jī)STM32F103ZET6 為核心控制器，外圍電路分別包括采集信息的傳感器電路、門(mén)磁鎖模塊電路、聲光報(bào)警電路、NBIoT/WiFi 無(wú)線(xiàn)傳輸電路、無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路、分合閘電路以及核心控制電路。

■2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)安防配電系統(tǒng)需要完成對(duì)溫濕度信息、煙霧濃度、一氧化碳濃度、是否有人員闖入狀態(tài)的采集與發(fā)送，溫濕度傳感器采用DHT11，其濕度范圍為5%RH～95%RH，溫度范圍0℃～50℃[3]，一氧化碳傳感器采用MQ-9，煙霧傳感器采用MC14468 離子煙霧探測(cè)報(bào)警專(zhuān)用芯片，判斷是否有人員闖入采用熱釋電紅外傳感器HC-SR501，主控制器和各個(gè)傳感器之間通過(guò)433MHz 無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行通信。

■2.2 RFID 射頻電路設(shè)計(jì)

門(mén)磁鎖對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全防盜起到至關(guān)重要作用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)門(mén)磁鎖滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室的安防需求，并可通過(guò)微信小程序和RFID 刷卡實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖操作。RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（電感或電磁耦合）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的[4]。RFID 電路原理圖如圖2 所示。

圖2 RFID 電路圖

■2.3 433MHz 無(wú)線(xiàn)通信模塊

■2.4 無(wú)線(xiàn)傳輸電路設(shè)計(jì)

433MHz 無(wú)線(xiàn)通信模塊有一個(gè)防干擾性能，支持多種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，安全、安裝絕緣，使用方便，成本效益好，穩(wěn)定性和可靠性高[5]。433MHz 發(fā)射與接收電路圖如圖3、圖4 所示。

圖3 433MHz 接收電路圖

圖4 433MHz 發(fā)射電路圖

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信模塊采用WHNB73 模 塊，WH-NB73 終 端 接 收 到 數(shù) 據(jù)采集指令后，返回單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)主機(jī)處理后通過(guò)OLED 顯示電路顯示出來(lái)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)時(shí)加載采集到的數(shù)據(jù)。通過(guò)單片機(jī)和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的串口。根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心的相關(guān)參數(shù)[6]。通信模塊接口電路圖如圖6 所示。

圖6 通信模塊接口電路圖

■3.1 底層軟件設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)終端采用STM32F103ZET6 為控制核心，在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)進(jìn)行初始化，顯示“歡迎”界面。然后系統(tǒng)判斷是否進(jìn)行布防操作，如果未布防，系統(tǒng)自動(dòng)返回，如果布防，系統(tǒng)將檢測(cè)傳感器各節(jié)點(diǎn)報(bào)警信息，如果各節(jié)點(diǎn)均未報(bào)警，再自動(dòng)返回。如果有報(bào)警情況發(fā)生，液晶屏幕將顯示報(bào)警信息，同時(shí)無(wú)線(xiàn)終端對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理、組幀加密，通過(guò)串口/網(wǎng)頁(yè)配網(wǎng)與NB-IoT/WIiFi 模塊交互數(shù)據(jù)，通過(guò)NB-IoT/WiFi網(wǎng)絡(luò)向云端服務(wù)器傳送，并向用戶(hù)發(fā)送短信、微信和撥打電話(huà)進(jìn)行報(bào)警。底層程序流程圖如圖7 所示。

圖7 底層程序流程圖

■3.2 火災(zāi)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一氧化碳濃度、溫度和煙霧濃度來(lái)判斷是否發(fā)生火災(zāi)，本設(shè)計(jì)采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為輸入層、隱含層以及輸出層三部分組成[7]。其中關(guān)鍵是隱含層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的選擇，它直接影響到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特定性能，一般選取規(guī)則如式(1)所示。

其中，輸入層數(shù)量為p，輸出層數(shù)量為q，a∈ [1 ,10]。同時(shí)引入S 型激活函數(shù)：

設(shè)輸入層與隱含層權(quán)值為ijω，閾值為jθ，隱含層與輸出層權(quán)值為vjt，閾值為tγ。誤差函數(shù)e，精度值為ε，學(xué)習(xí)數(shù)為M。

隱含層輸入如式(3)：

1.2.1 標(biāo)本采集 采用無(wú)菌陰道拭子擦除女性患者宮頸口周?chē)ひ汉?，用新的無(wú)菌陰道拭子插入宮頸口內(nèi)約1～2 cm，轉(zhuǎn)動(dòng)并停留約30 s，旋轉(zhuǎn)取出含陰道上皮細(xì)胞的標(biāo)本，置于無(wú)菌管內(nèi)及時(shí)送檢。分別采用固體培養(yǎng)法、液體培養(yǎng)法及PCR法進(jìn)行檢測(cè)。

輸出如式(4)：

輸出層輸入如式(5)：

輸出如式(6)：

實(shí)際輸出與期望輸出的單元誤差如式(7)：

中間層誤差如式(8)：

輸出層權(quán)值如式(9)：

閾值修正如式(10)：

其中，N 為學(xué)習(xí)速率。

隱含層權(quán)值如式(11)：

閾值如式(12)：

■3.3 微信小程序設(shè)計(jì)

小程序目前可以進(jìn)行賬號(hào)注冊(cè)、用戶(hù)登錄、退出登錄、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、開(kāi)關(guān)控制、日志查看等操作。開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)小程序的作用主要是方便操作者隨時(shí)隨地查看實(shí)驗(yàn)中心終端的運(yùn)行情況。

在監(jiān)控室出現(xiàn)供電故障時(shí)上位機(jī)無(wú)法起到監(jiān)控作用，在這種情況下可以通過(guò)手機(jī)對(duì)監(jiān)控室監(jiān)控的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室終端的運(yùn)行情況進(jìn)行操控，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，可通過(guò)手機(jī)小程序控制開(kāi)關(guān)。

監(jiān)測(cè)功能界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能配電箱終端數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)功能界面可以實(shí)時(shí)顯示從云平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)，而相應(yīng)功能的監(jiān)測(cè)界面對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，解析出各自需要的數(shù)據(jù)并顯示在列表控件中，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)安防配電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，其中對(duì)接收數(shù)據(jù)的解析處理是此界面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。安防配電系統(tǒng)的微信小程序初步實(shí)現(xiàn)的功能如圖8 所示。

圖8 小程序功能圖

■3.4 NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)

選用NB-IOT 模塊中的WH-NB73 模塊構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸電路，只需要將單片機(jī)（RX、TX）串口連接無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的接口（TX、RX），即可完成接連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞發(fā)送功能，工作時(shí)以極低的功耗實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)不會(huì)對(duì)發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)有任何影響[8]。通過(guò)傳感器模塊電路將檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)通信模塊連接并發(fā)送傳輸指令，當(dāng)終端接收到數(shù)據(jù)之后，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示對(duì)比[9]。初始化端口配置中設(shè)置了相應(yīng)引腳的GPIO 模 式，通 過(guò)STM32F103ZET6 單 片 機(jī) 與NB-IOT 模 塊中的WH-NB73 模塊的通信就能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通過(guò)檢測(cè)是否收到數(shù)據(jù)再?zèng)Q定WH-NB73 模塊是否與遠(yuǎn)程終端完成數(shù)據(jù)通信，再通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否發(fā)送到終端顯示后決定重新發(fā)送還是繼續(xù)往下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

■3.5 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵在于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并且這些功能要集成在一個(gè)軟件中，本軟件的設(shè)計(jì)用Html +JSP 編程語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)界面。具體服務(wù)器原理框圖如圖9 所示。

圖9 服務(wù)器原理框圖

云端管理程序通過(guò)主控機(jī)UI 界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)警信息顯示及報(bào)警處理等功能。具體完成了集撤/布防成功、煤氣探測(cè)器報(bào)警、煙霧探測(cè)器報(bào)警、紅外探測(cè)器報(bào)警等功能于一體的故障報(bào)警系統(tǒng)；同時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)記錄故障信息并提供查詢(xún)功能。

服務(wù)器管理程序用戶(hù)名唯一，用戶(hù)填入信息后，系統(tǒng)會(huì)將填入的信息同數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)信息表中相應(yīng)字段進(jìn)行比較，若相同則可以進(jìn)入系統(tǒng)。密碼輸入檢查會(huì)將輸入的密碼與系統(tǒng)保存的密碼做字符串比較，若不一致則給出提示信息，以防止非法用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)，避免誤操作，提高系統(tǒng)可靠性。

服務(wù)器的安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面包含事件信息、客戶(hù)信息、處警信息、維修管理、使用記錄查詢(xún)以及安全退出六部分。其中，事件信息包含事件信息界面與故障信息界面：事件信息界面包含賬號(hào)、客戶(hù)名稱(chēng)、地址、聯(lián)系電話(huà)、事件類(lèi)型、防區(qū)、位置、發(fā)生時(shí)間、狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各個(gè)傳感器報(bào)警狀況，并指示各個(gè)防區(qū)工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

整體制作完成后，對(duì)系統(tǒng)主要功能進(jìn)行了測(cè)試，包括傳感器和信息采集測(cè)試、無(wú)線(xiàn)通信測(cè)試以及遠(yuǎn)程投切測(cè)試，測(cè)試了安防配電系統(tǒng)的完整性及其穩(wěn)定性。測(cè)試完成后，又對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)過(guò)程如圖10 所示。

圖10 檢測(cè)照片

使用NB-IoT 無(wú)線(xiàn)終端主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。在系統(tǒng)上電后，常按主機(jī)復(fù)位鍵約7s 重啟程序。首先進(jìn)行433MHz 學(xué)習(xí)，按住主機(jī)復(fù)位鍵與傳感器節(jié)點(diǎn)布/撤防鍵直至指示燈頻繁閃爍，表示學(xué)習(xí)成功；同時(shí)，微信小程序與云服務(wù)器提示添加設(shè)備成功。其次進(jìn)行傳感器測(cè)試，在布防狀態(tài)下，利用煙霧傳感器的測(cè)試按鈕模擬實(shí)際的報(bào)警情況，按住煙霧傳感器測(cè)試按鈕約2s，終端主機(jī)警笛發(fā)出“滴滴滴”報(bào)警聲，表明煙霧傳感器已通過(guò)433MHz 的無(wú)線(xiàn)發(fā)射方式，將報(bào)警信息發(fā)送給了終端主機(jī)，控制器鳴笛報(bào)警。同時(shí)，串口助手軟件監(jiān)視到報(bào)警組幀數(shù)據(jù)已通過(guò)串口COM11 發(fā)送到NB-IoT 模塊，并經(jīng)NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信傳送到云端服務(wù)器IP 及端口[10]，并在系統(tǒng)管理軟件界面及微信小程序顯示報(bào)警信息數(shù)據(jù)。具體如圖11 所示。

圖11 微信小程序界面

測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

溫濕度傳感器檢測(cè)溫度和濕度分別為23℃和25%。布防后打開(kāi)入戶(hù)門(mén)出現(xiàn)門(mén)磁報(bào)警，有人體（手）進(jìn)入模型室內(nèi)感應(yīng)出人體紅外報(bào)警，采用打火機(jī)燃?xì)鉁y(cè)試有害氣體傳感器報(bào)警正常，開(kāi)窗開(kāi)門(mén)紅外對(duì)管報(bào)警正常，以上信息在液晶顯示器顯示同時(shí)，向商戶(hù)手機(jī)發(fā)送短信、微信和撥打電話(huà)正常。測(cè)試表明，系統(tǒng)可靠并完善地完成了各項(xiàng)安防監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)中心無(wú)線(xiàn)安防配電的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)中心無(wú)線(xiàn)安防配電系統(tǒng)，其結(jié)合了NB-IoT 具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安防情況，使用多個(gè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)安全指標(biāo)，并且通過(guò)NB-IoT 將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)安全指標(biāo)發(fā)送到服務(wù)器，便于實(shí)驗(yàn)中心管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安全狀況，能有效地避免實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該安防配電系統(tǒng)具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室智能化是我國(guó)未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向，因此，開(kāi)發(fā)一套無(wú)線(xiàn)智能安防配電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。