針對高校實驗室的安防需求，確保及時消除安全隱患，最大限度減少實驗室安全事故，保障校園安全、生命和財產(chǎn)安全。本文設(shè)計了基于STM32單片機的物聯(lián)網(wǎng)實驗室智能安防系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控芯片，各傳感器通過Wi-Fi模塊上傳數(shù)據(jù)至機智云平臺，實時監(jiān)測實驗室的溫濕度、非法入侵、火情和煙霧等情況，實現(xiàn)精準環(huán)境監(jiān)控。用戶可通過人機交互界面下發(fā)指令，控制下位機模塊，使系統(tǒng)更智能化，顯著降低實驗室安全風險。

總體設(shè)計

基于STM32單片機構(gòu)建實驗室智能安防系統(tǒng)，系統(tǒng)分為感知層、控制層、傳輸層、應(yīng)用層四層，系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖

感知層采用多點檢測的方式，以提高環(huán)境采集的準確性。該層由多源傳感器組成，用于采集實驗室環(huán)境信息，包括溫度、濕度、人體紅外、火焰、煙霧等數(shù)據(jù)。

控制層由單片機、電風扇、排氣扇、燃氣閥及蜂鳴器等組成，負責動作執(zhí)行。使用者能根據(jù)當前溫度濕度環(huán)境、人體紅外、火焰、煙霧數(shù)據(jù)情況判斷當前實驗室的風險情況，并下發(fā)相關(guān)的控制指令?？刂茖幽軌?qū)κ覂?nèi)空氣的溫度、濕度進行調(diào)節(jié)，對室內(nèi)空氣進行凈化處理，對闖入情況進行告警處理。傳輸層通過構(gòu)建Wi-Fi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，通過Wi-Fi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層通過機智云App實現(xiàn)人機交互功能，主要用于接收用戶指令，并下發(fā)相關(guān)控制。用戶可以在移動端實時查看各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，同時OLED顯示屏可顯示當前系統(tǒng)和實驗室環(huán)境的狀態(tài)。

功能設(shè)計

實驗室智能安防系統(tǒng)利用先進的信息技術(shù)手段對實驗室空間進行智能化監(jiān)測和控制，主要包括溫濕度檢測、安防檢測、火災(zāi)檢測、煙霧檢測4個部分，能有效提高安全性、可靠性和實用性。系統(tǒng)模塊劃分為三部分：一是監(jiān)控模塊。將各傳感器分別安裝在實驗室各空間內(nèi)，在OLED顯示屏上實時顯示當前的溫濕度、是否監(jiān)測到非法闖入、當前環(huán)境是否出現(xiàn)火情和煙霧。二是防護模塊。

采集的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳至機智云云平臺，在手機端實時查看各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關(guān)的控制指令至相關(guān)下機位。三是控制模塊。當監(jiān)測到當前溫濕度異常時，可以遠程打開電風扇；當監(jiān)測到當前有非法闖入時，可以遠程打開蜂鳴器報警；當監(jiān)測到當前環(huán)境存在火焰時，可以遠程關(guān)閉燃氣閥；當監(jiān)測到當前環(huán)境存在煙霧時，可以遠程打開排氣扇。功能設(shè)計如圖2所示。

圖2 功能設(shè)計圖

硬件模塊設(shè)計

本設(shè)計的硬件電路由STM32單片機模塊、溫濕度傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、煙霧傳感器模塊、OLED顯示屏、Wi-Fi模塊、舵機模塊、蜂鳴器模塊、模擬電機模塊等組成。

STM32單片機模塊

STM32單片機的模塊選用型號STM32F103C8T6,這是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，既能直接使用寄存器進行編程，也可根據(jù)官方庫文件進行編程。程序存儲器和RAM容量大小分別為64KB和20KB，并擁有豐富的接口資源，包括32個通用I/O口，7個定時器，系統(tǒng)時鐘最高可以達到72MHz。

溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊選用型號DHT11,DHT11內(nèi)部已有一個校準數(shù)字信號輸出器，數(shù)據(jù)引腳可通過單總線協(xié)議直接將數(shù)據(jù)傳輸至單片機。模塊實現(xiàn)環(huán)境的濕度溫度監(jiān)控作用，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片。在使用該模塊時，電源正負極要對應(yīng)連接單片機的電源與地，數(shù)據(jù)引腳與單片機的PB12引腳相連，數(shù)據(jù)引腳與單片機的串口連接時需上拉一個5K左右的電阻。

人體紅外傳感器模塊

人體紅外傳感器模塊選用型號HC-SR501,HC-SR501是一款采用紅外線技術(shù)的傳感器。當模塊檢測到紅外信號后，數(shù)據(jù)引腳輸出一個高電平。模塊的電源正負極與單片機的電源正負極相連接，數(shù)據(jù)引腳與單片機的PB13引腳相連接，兩者通過串口實現(xiàn)通信。

火焰?zhèn)鞲衅髂K

火焰?zhèn)鞲衅髂K通過檢測火焰的波長和光譜識別當前環(huán)境是否出現(xiàn)火情，所在環(huán)境的火焰波長長度超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，數(shù)據(jù)引腳輸出一個低電平，反之輸出一個高電平。模塊的正負極與單片機的電源與電源地相連接，數(shù)據(jù)引腳與單片機的PA6引腳相連進行串口通信，實現(xiàn)模塊與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

煙霧傳感器模塊

煙霧傳感器模塊選用型號MQ-2，通過煙霧與可燃氣體二氧化錫的接觸改變材料的電阻特性從而影響輸出的電壓。單片機以輸出的電壓值作為依據(jù)，以判定是否存在有可燃氣體或煙霧。該模塊與單片機的電源相連接，對模塊進行供電，以保證正常工作，模塊的數(shù)據(jù)引腳與單片機的PB15連接，利用串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

OLED顯示屏

系統(tǒng)選用0.96寸的OLED顯示屏，采用IIC協(xié)議與單片機進行通信。該模塊有4個引腳，分別是VCC、GND、SCL、SDA，前兩個進行供電，后兩個分別是時鐘線和數(shù)據(jù)線，使用時將顯示屏電源線與單片機的電源相連接，SDA引腳接單片機的PB10引腳，SCL引腳接單片機的PB11引腳。

Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用型號esp8266-01S，通過選用不同的聯(lián)網(wǎng)方式將設(shè)備接入至局域網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)，采用USART串口與單片機進行通信。在使用時，除進行正常供電外，還須給Wi-Fi模塊的EN引腳一個高電平，Wi-Fi模塊的TXD引腳與單片機的PA3引腳(USART1的RXD)相連，Wi-Fi模塊的RXD引腳與單片機的PA2引腳(USART1的TXD)相連。

舵機模塊

燃氣閥的控制部分選用舵機模塊進行模擬，通過控制舵機力矩的轉(zhuǎn)動模擬燃氣閥的開與關(guān)。舵機模塊選用型號SG90,SG90有三根導(dǎo)線，一根導(dǎo)線負責PWM波信號的輸入，另外兩根分別接電源和地，舵機的數(shù)據(jù)引腳接單片機的PB6引腳(TIM4的輸出通道1)。

蜂鳴器模塊

蜂鳴器是一款具備一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，蜂鳴器導(dǎo)通電后會導(dǎo)致其內(nèi)部的膜片震動然后發(fā)出蜂鳴聲。蜂鳴器的電源端與單片機的電源相連接，蜂鳴器的地端與單片機的PC14引腳相接，當單片機的PC14引腳輸出一個低電平蜂鳴器即可發(fā)出蜂鳴聲。

模擬電機模塊

電風扇和排氣扇選用型號L9110,L9110有VCC、GND、INA、INB四個引腳。通過向INA和INB兩個引腳輸入相對應(yīng)的PWM波轉(zhuǎn)動風扇，INA輸入高電平模擬電機正向轉(zhuǎn)動，INB輸入高電平模擬電機則反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度由輸入PWM波的占空比決定。電風扇模塊的INA與單片機的P8引腳(TIM4的通道3)相接，INB引腳與單片機的PB9引腳(TIM4的通道4)相接。排氣扇模塊的INA與單片機的地端相接，INB與單片機的PB7引腳(TIM4的通道2)相接。

軟件設(shè)計

機智云是供物聯(lián)網(wǎng)與硬件開發(fā)者使用的一款云平臺，開發(fā)者可根據(jù)機智云平臺提供的協(xié)議與設(shè)備端的模組系統(tǒng)GAgent對接，硬件可快速接入物聯(lián)網(wǎng)，并能與大多數(shù)的Wi-Fi模塊和移動網(wǎng)絡(luò)模塊兼容，通過平臺提供的SDK可快速實現(xiàn)App的開發(fā)。系統(tǒng)軟件通過Wi-Fi模塊ESP8266-01s實現(xiàn)把各傳感器檢測的數(shù)據(jù)上傳至機智云平臺上位機以及把相關(guān)的控制指令下發(fā)至下位機。軟件界面如圖3所示。

圖3 軟件界面圖

模塊間的通信設(shè)計

單片機與各模塊之間的通信主要采用IIC和USART通信總線。具體通信方式如下：

OLED顯示屏與單片機的通信方式為IIC。IIC是一種半雙工串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，適用于主控制器和從器件間的通信。它由兩條總線線路組成：SDA串行數(shù)據(jù)線和SCL串行時鐘線。

各個器件之間可以相互通信，也可根據(jù)需求設(shè)置主機和從機。主機可自主設(shè)置為主機發(fā)送器或接收器，通信時主機向從機發(fā)送命令，從機給出應(yīng)答。IIC總線通過上拉電阻接正電源。當SCL信號為低電平時，SDA的狀態(tài)隨之發(fā)生改變。

Wi-Fi模塊與單片機的通信方式為USART。USART是一種通信雙方可同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的串行收發(fā)器。它擁有高精度的波特率發(fā)生器，不須占用定時器的資源。USART的收發(fā)模塊分為接收器、時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器三大模塊，共同作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。USART的串口信號線包括RXD（接收數(shù)據(jù)）和TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）兩種。

實驗結(jié)果

根據(jù)各傳感器模塊的工作特點，模擬通過改變環(huán)境參數(shù)，觀察各傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)能否隨著相對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)的變化而變化，以檢測傳感器模塊是否正常工作。對系統(tǒng)進行整體實際實驗室環(huán)境的測試，檢測出不同環(huán)境情況下的參數(shù)顯示，實時發(fā)送指令和控制相應(yīng)下位機的情況，以驗證本系統(tǒng)的準確性。

溫濕度傳感器測試

通過吹氣、打火機加熱、吹風機加熱三種不同方式模擬環(huán)境的升溫，每一種方式提升的溫濕度的幅度具有一定的差異，經(jīng)實驗，溫度傳感器所采集的溫濕度值能隨著環(huán)境溫濕度的變化而變化，說明溫濕度傳感器模塊可正常工作。溫濕度數(shù)值對比如表1所示。

表1 溫濕度數(shù)值對比表

人體紅外傳感器測試

通過環(huán)境有人和模擬無人實施人體紅外傳感器的檢測。根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，人體紅外傳感器可以正確檢測當前環(huán)境是否有人，說明人體紅外傳感器模塊可正常工作。人體紅外參數(shù)對比如表2所示。

表2 人體紅外參數(shù)對比表

火焰?zhèn)鞲衅鳒y試

通過環(huán)境中有火焰和無火焰模擬火焰?zhèn)鞲衅鳈z測，根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，火焰?zhèn)鞲衅骺梢哉_檢測當前環(huán)境中是否有火焰的出現(xiàn)，說明火焰?zhèn)鞲衅髂K可正常工作。火焰參數(shù)對比如表3所示。

表3 火焰參數(shù)對比表

煙霧傳感器測試

通過環(huán)境中有煙霧和無煙霧模擬火焰?zhèn)鞲衅鳈z測，根據(jù)實驗測試的結(jié)果顯示，煙霧傳感器可以正確監(jiān)測當前環(huán)境中是否有煙霧的出現(xiàn)，說明煙霧傳感器可正常工作。煙霧參數(shù)對比如表4所示。

表4 煙霧參數(shù)對比表

系統(tǒng)整體測試

將系統(tǒng)實物板放入實訓室并上電，一臺手機打開數(shù)據(jù)熱點，系統(tǒng)實物板連通熱點后，另一臺手機打開機智云App。給系統(tǒng)檢測模塊制造相關(guān)的模擬環(huán)境，傳感器采集的數(shù)據(jù)在OLED屏幕上正確顯示，采集的數(shù)據(jù)可成功傳輸至機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，在機智云App上依次點擊打開和關(guān)閉電風扇、燃氣閥、蜂鳴器、排氣扇的按鈕，相對應(yīng)的控制模塊都可以實現(xiàn)。實物圖正面如圖4所示，火焰靠近火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)顯示如圖5所示。

圖4 實物圖

本系統(tǒng)設(shè)計也存在一定的不足，如各傳感器采集的數(shù)據(jù)具有一定的誤差，感應(yīng)的距離也存在一定的限制。溫濕度傳感器采集的溫度的誤差在2℃左右，濕度的誤差在6%左右。人體紅外傳感器的精準感應(yīng)范圍為3m，火焰?zhèn)鞲衅骶珳矢袘?yīng)范圍為45cm左右，超出范圍則存在些許誤差。煙霧傳感器可檢測打火機中的氣體以及紙張燃燒的氣體，但反應(yīng)時間略長。

圖5 火靠近火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)顯示圖

本文研發(fā)了基于STM32F103C8T6的實驗室智能安防系統(tǒng)，采用多點檢測方式提升實驗室各區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的精準度。通過移動端App對環(huán)境異常進行實時判斷和處理，系統(tǒng)智能化程度顯著提升。該系統(tǒng)可靠、安全且操作便捷，可根據(jù)需求增加傳感器模塊以實現(xiàn)更精確的實驗室環(huán)境監(jiān)測，具備強大的擴展性。