电气实验室安全预警系统设计

刘磊 孙晓菲 唐含 范超 盛婕

摘 要：为解决高校电气实验室安全问题，提出了一种基于传感器、蓝牙模块和无线通信模块的实验室安全预警系统。以STM32为主控芯片，利用火焰传感器、温湿度传感器、霍尔电流传感器和防盗模块进行实时监测，发现异常，即刻报警，同时将报警数据传送至主机，主机将显示各项指标状态并实时绘制实验室温湿度波形曲线。在不同安全状况下报警率达到90%以上，误报率低于5%，实现了实验室各项安全指标的实时监测以及主机与多个检测系统的对接。

关键词：自动化技术；智能安全预警；STM32；传感器

1 概述

实验室作为高校实践教学的重要场所，电气实验室更容易出现各种安全问题，湿度过高会降低电气设备的绝缘强度，加速设备老化甚至发生火灾；设备温度过高会引起过热跳闸，甚至烧坏设备；对加热设备和电器设备使用不慎也容易引发各类问题，比如以学生实践为主的实验室常常会有人用完电烙铁和转印机等设备离开后忘记断电，导致烫伤事故的发生甚至引发火灾；以及实验室贵重设备和物品被盗等。随着实验室环境和设备的复杂化，更加需要对突发的安全状况进行实时监控并相应处理。

2 硬件设计

2.1 系统总体设计

系统以STM32单片机为控制核心，用火焰传感器监测实验室是否发生火灾；用MPU6050模块作为防盗模块，实时监测布防柜门的状态，若发生意外打开立即报警；用HC-05蓝牙串口模块实现系统与用户手机的交互，用户连接成功后可以用手机作为遥控器操作菜单、录入相关参数等；用蜂鸣器报警作为主要的声音报警方式；用DHT11模块作为温湿度传感器实时监测实验室温湿度并显示在TFT液晶屏上；用防水DS18B20溫度传感器实时监测设备温度；用霍尔电流传感器检测电烙铁是否通电，配合人体红外热释电传感器进行电烙铁违规操作的检测；用NRF14L01模块实现与主机的无线通信，主机以STM32单片机作为控制核心，配以TFT液晶屏进行波形和各项检测指标状态的实时显示。

2.2 蓝牙串口模块

ATK-HC05蓝牙串口模块是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机等连接，支持波特率范围为4800-1382400，兼容5V和3.3V的单片机系统。

2.3 NRF24L01模块

NRF24L01芯片，使用2.4G全球开放的ISM频段，最高工作频率2Mbps，抗干扰能力强。125个可选通道，满足多点通信和调频通信的需要，可自动应答，确保数据的可靠。

本系统中采用该模块进行主机与检测系统的无线通信，检测系统设置为Tx模式，实时发送温湿度检测数据以及各个报警指标的检测结果，32个字节的数据包内定义第1个字节为数据类型标志。主机设置为Rx模式，接收到数据包后，根据第1字节判此次数据是报警标志还是数据标志，若为报警标志则根据第1字节内容进行相应报警，若为数据标志则将第1字节之后的数据绘制在液晶屏上。

2.4 防盗模块

采用MPU6050模块，将加速度和角速度融合，得到模块的姿态。将模块固定到待防盗的柜门上，在布防模式下，一旦模块的姿态发生改变则报警。由于本系统实现了万年历功能，故可以设定在每天的固定时间布防。管理员可修改系统密码，只有成功连接才能设定布防、撤防。

2.5 电烙铁智能监控模块

主要由霍尔电流传感器检测电烙铁线路是否有电流通过、由红外热释传感器检测周围是否有人。二者配合判断操作者是否在离开时忘记关闭电源。同时该系统可同时检测多个电烙铁，并对每个电烙铁的违规操作进行记录，方便实验室管理。

2.6 温湿度传感器

数字式温度传感器DS18B20检测设备温度，该传感器可与单片机单线通信，编程易于实现且节省IO口，传感器的温度测量范围为-55℃到125℃，分辨率高达12位，完全可以满足系统的需求。在系统上电初始化之后，定时读取传感器的温度值并与预设的温度上限比较，超过温度上限则进行报警。同时读取到的温度值也将实时无线传送回主机，供主机绘制温度-时间的波形。用DHT11数字式温湿度传感器检测周围环境的温度和湿度，数据的处理方法与DS18B20相似。

3 软件设计

3.1 主程序设计

系统上电复位后，首先进行系统初始化。系统时钟SYSCLK是提供STM32中绝大部分器件工作的时钟源，系统时钟可以选择为PLL输出，HSI或者HSE，系统时钟最大频率为72MHz[8]，通过AHB分频器分频后送给各个模块使用。单片机部分外设的初始化设置主要包括：定时器初始化，用于系统所需的定时功能；串口初始化，用于单片机与蓝牙串口模块通信；SPI初始化，用于单片机与无线模块和外部FLASH通信。然后进行各个模块的初始化，成功后进入while（1）循环，轮流进行火焰、温湿度、防盗、电烙铁违规操作的检测，若检测到异常状态，调用报警程序并返回数据至主机。

3.2 蓝牙模块程序设计

对于模块的控制首先实现串口的初始化，以及串口的打印函数和串口2的接收处理。串口发送数据采用DMA发送，以提高系统实时性。串口的数据接收，采用了定时判断的方法，对于一次连续接收的数据，如果出现连续10ms没有接收到任何数据，则表示这次连续接收数据已经结束。然后需要按照模块的说明书初始化模块，包括IO口的配置以及对模块是否存在的检测。最后编写相关的发送AT指令函数以便实现与模块的交互。

4 系统测试

硬件组装调试完成后，根据预期需求对系统进行测试，测试结果如下：

系统可以实时监测某设备的温度和实验室湿度。在温湿度骤升或者高于某临界值时进行报警，用户可以手动输入报警温湿度或者选择默认值报警。

在使用者离开电烙铁、转印机等高温、耗电的设备时，若未关闭电源则进行报警，同时记录违规操作，便于实验室管理。 对放有贵重设备的柜门进行防盗报警，可以设置每天两个时间段的固定时间开启防盗。

利用蓝牙串口模块实现安卓手机与系统的交互，在检测系统报警时主机也会进行相应的报警提示，同时主机实时显示检测系统测得的温湿度波形，实现了主机对多个检测系统的同时监控。

5 结束语

该实验室安全预警系统以火焰传感器、温湿度传感器、霍尔电流传感器等传感器模块对整个实验室的各项安全指标进行实施监控，用户可以及时得知实验室安全状况，从而采取相应措施。用户也可以用安卓手机与系统进行交互。本系统成本低，安装方便，可在普通高校实验室中广泛应用。

参考文献

[1]汪浩，田丰，杨溢，等.多模智能家居系统设计与实现[J].电子测量技术，2014，37（10）：20-24.

[2]刘举平，余为清.基于GSM技术的智能家居远程控制器设计[J].微计算机信息，2010，11：45-46.

[3]肖春华，张洪涛.基于教室LED照明智能控制系统的实现[J].电子设计工程，2014，22（15）：155-158.

作者简介：刘磊（1993-），男，河北蔚县人，本科在读，主要研究方向：电气自动控制技术。