高校实验室环境安全智能监控系统设计

张慧颖，陈玲玲，吴 博

（1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.新代科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 215000）

在“互联网+”、大学生创新创业等大形势下，高校人才培养目标更倾向于素质教育，因而对大学生的实践能力和创新工程能力的培养尤为重要。为了更好地践行我院提出的“三三制”人才培养方案，我院实验室建设采取开放式原则。高校实验室是进行科研和教研的重要场所，也是学生进行实践和实训课程的主要基地，更是学生利用课余时间进行科技小组学习的重要场所[1-3]。因此，实验室安全问题是实验室工作中的重中之重，尤其是在实验室开放后，实验室环境、防火和防盗等问题就更为重要。如何能更好地管理实验室，实时掌握实验室内的环境安全信息，及时发现实验室内的异常情况，并最大限度地降低异常情况带来的损失，已成为我院实验室管理工作中的重点。在此背景下，本文以智能监测为出发点，采用STM32单片机为核心，设计出具有全智能/手动安全模式的双模式实验室内环境监控系统。本系统融合多路传感器采集技术，以实现对实验室的安全智能监测。

1 系统总体设计思路

本系统整合6 种传感器，实现自动检测实验室内环境的各项指标并可以对采集信息进行及时处理。系统正常工作时，通过检测环境温湿度、光照强度及气体指标等和用户的按键指令进行相应的动作执行。由中央处理器进行裁决后，做出相应的控制响应。并且控制器可以根据环境指标数据，执行紧急事故处理、危机救护等急救控制，充分满足用户的需要。该系统有以下两点突出特点：

（1）设计人体红外检测电路、温湿度检测电路、LCD 显示电路、可燃气体检测电路、光照强度检测电路、火焰检测电路、语音系统电路等，采用反馈触发控制的方式对室内大灯、窗帘、房门等进行控制。同时在安防方面加入了防盗报警、火灾报警等，发生警报时，系统会自动采取应急消防措施，并发送语音报警信息，实时性强。

（2）设计出全智能/手动安全模式一键切换的功能，全智能模式全程无须人为干预即可实现全部家电的触发反馈控制（利用6 路传感器采集环境量），同时兼顾部分特定或紧急条件下需要全程手动控制的场景，设计了手动安全模式，该模式保留安全型家居设施的自动控制（如火灾预警、排风系统等）[4-8]，系统总体结构框架如图1 所示。

图1 系统总体结构框图

系统通过检测各项参数指标（如气体浓度、光照强度、温湿度、PM2.5）判断实验室内环境安全系数，监测结果经由MCU 裁决后控制继电器，使继电器开关可以安全高效地控制执行机构；同时传给终端（固定终端或手持终端）实时显示，对于超过安全指标的项目进行报警，在最大限度上减少安全事故的发生。

2 硬件电路设计

硬件电路以STM32F103C8T6 单片机作为主控制芯片，设计了报警电路、人体红外检测电路、温湿度检测电路、LCD 显示电路、有害气体检测电路、光照强度检测电路、火焰检测电路、语音报警电路、按键电路和电源电路。其中单片机采用8 MHz 高精度晶振以获得稳定的时钟频率，减小测量误差。

2.1 环境指标采集电路设计

对比几种方案，实验室内温湿度检测电路采用数字化模块DHT11 实现。传感器部分包括一个感湿元件和一个测温器件，与单片机相连，抗干扰能力强，响应快[9]。设计时，DHT11 的DATA 引脚与STM32 的PB12 引脚相连，温湿度检测电路如图2 所示。

图2 温湿度检测电路

对于实验室内液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等气体的探测，采用可燃气体探测器MQ-2实现。将MQ-2 的AO 端与单片机的PA2 引脚相连，采用单片机内部自带的AD 模块实现采集信号的模数转换[10-11]，有害气体检测电路如图3 所示。

图3 有害气体检测电路

采用人体热释电传感器实现有无人通过检测。当检测到有人经过时，发出信号给MCU，由MCU 控制房门（自动感应门）的开合，并经由软件设计使开合速度符合人性化使用习惯。控制引脚为PA12，人体红外接口电路如图4 所示。

图4 人体红外接口电路

采用专用PM2.5 传感器实现室内PM2.5 检测。检测原理是光检测到一定区域内导电物质的导电率以及光线在固形物中的折射率，转化为模拟信号，再由STM32 中AD 转换成数字量，最后经过固定的法则转换为国际通用单位，进而在显示终端进行显示。传感器与单片机系统连接的两个引脚分别是控制LED 灯光的PA1 和控制PM2.5 浓度输出端的PA0，PM2.5 检测电路如图5 所示[12]。

图5 PM2.5 检测电路

室内光照强度检测采用光敏电阻作为检测元件。光敏电阻一端与10 kΩ 分压电阻相连，另一端接地，输出端接单片机的PC10 引脚。采用红外接收管完成火焰检测电路设计，可以检测波长在760 ～1100 nm 的光源。由于光电管接收到的火焰信号比较微弱，因此需要放大转换后送入单片机完成后续信号处理，光照强度和火焰检测电路如图6 所示[13]。

图6 光照强度和火焰检测电路

2.2 控制机构电路设计

设置STM32 的IO 口的高低电平，可以使电路对应的三极管导通或截止，以此控制继电器线圈是否通电。控制对象分别为空调、房门、窗帘、空气净化器。设计中，水泵采用12 V 直流进行供电。当发生火警时，ARM 控制该继电器吸合，水泵电源接通，此时会喷水将火熄灭，实现灭火，并配有蜂鸣器报警电路，继电器控制电路如图7 所示。

为了便于后续扩展，本电路板还加入了电源扩展接口，以便各个模块之间的电源相互连接。

图7 继电器控制电路

2.3 窗帘电机驱动电路设计

本系统可根据光照强度实现对窗帘的控制。通过STM32 驱动电机，电机控制齿轮，拉动链条从而达到控制窗帘开合的目的。采用L298N 高功率驱动板完成电机的驱动，L298N 可以1 次驱动两个直流电机或一个步进电机。L298N 芯片输出信号经由二极管传递给电机，即可由程序控制电机运行。窗帘电机驱动电路如图8 所示。

图8 窗帘电机驱动电路

2.4 语音电路设计

采用JQ8400 语音系统，语音建模储存至Flash，用串口通信输入16 进制代码操作语音指令，达到人性化控制的目的。其与STM32 相连的分别是RX、TX和BUSY 引脚，其中RX、TX 引脚用于语音模块的通信，BUSY 引脚用于检测忙信号，芯片SPK+和SPK-分别接扩音器的正负极，JQ8400 语音电路原理如图9所示。

图9 JQ8400 语音电路原理

2.5 其他电路设计

系统采用串行接口、16 位的真彩TFT 彩色液晶屏。用户可以根据自己实际的需要进行设置。控制引脚用四线控制，分别是SCK（PA5），SDA（PA7），AO（PC15）、RST（PC14），TFT 串口屏接口原理如图10 所示。

系统设有4 个按键，分别是KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，依次连接STM32 的B1、B10、B11、C13，控制智能家居的运行状态。KEY1 控制报警阈值切换，KEY2 控制阈值增加，KEY3 控制阈值减小，KEY0 控制中英文语音模式切换。

图10 TFT 串口屏接口原理

系统采用5 V 供电，可以由移动电源或者由电池组经过2 A 的升压模块提供；3.3 V 供电，采用AMS1117-3.3 实现。

3 系统软件设计

系统采用C 语言进行程序编写，采用模块化思想，便于后续程序移植。其中STM32 为核心，子程序包括可燃气体检测、人体红外检测、光照强度检测、温湿度检测、火焰检测、初始化子程序、中断子程序、定时器子程序、显示和按键子程序、语音播报子程序等。系统初始化后，首先对环境的各项指标进行采集并及时处理。如果室内有超标现象，则由STM32 裁决后，做出相应的控制响应，主程序流程如图11 所示。

语音系统程序设计主要是利用USB 口拷入特定语音，支持FAT16、FAT32 文件系统。通过UART 串口指令或一线串口指令即可完成播放指定的语音，中英文语音播报内容设计如图12 所示。

图11 主程序流程

4 实验测量结果

系统模型采用8 节（板子背部有4 节）AA 碱性电池或5 V 标准电压进行供电，使用电池时其驱动电流尤为重要，整个系统运行过程中预计工作时驱动电流650～850 mA（继电器驱动需约200 mA，屏幕驱动需约90 mA，6 路传感器驱动共需约210 mA，语音系统3 W 喇叭驱动需约200 mA，其他功耗约50 mA），4 节干电池两两并联经过USB 升压模块进行升压，升压后驱动电压5.33 V，驱动电流约1100 mA，工作时待机电流为260 mA，电源系统符合要求。经过对硬件电路的制作和反复调试，然后将编译好的程序下载到单片机进行测试。此时，环境温度，湿度的实际值已由其他仪器获取，气体浓度、PM2.5 等参数经过三个同类传感器和同样精度的A/D（12 位）取均值作为实际值，与测量值比对。另外还要测试整个系统的反馈控制情况，即指定环境指标高于或低于阈值时，控制面板的响应情况及语音提示系统的精确程度。最后需要测试系统较长时间运行是否稳定。智能检测系统实物如图13 所示。

以下是采用环境智能监控系统对我院实验室检测所得出的测量结果及实验结果。

图12 中英文语音播报内容设计

图13 智能检测系统实物图

测试时间：2019 年6 月1 日星期六中午12:30

测试地点：学校第三教学楼420 实验室

温度测试：由水银温度计测出与实际值（智能监测系统结果）对比

湿度测试：由干泡温度计和湿泡温度计测出与实际值对比

PM2.5 测试：用激光式PM2.5 模块多次测试取平均值

气体浓度测试：用多个MQ-2 模块多次测量取平均值

各项环境指标测量结果见表1。

采用智能监测系统开展的模拟特定场景响应实验统计见表2。

表1 各项环境指标测量结果统计表

从多次测量结果可以看出，实际值与测量结果的误差在±2%范围内，基本满足本次设计的精度要求。在传感器满足精度要求的基础上进行了系统整体运行状态的测试实验。本设计模拟了几个常见的实验室环境场景，通过测试，系统反应精准快速，达到设计要求。

表2 模拟特定场景响应实验统计表

5 结语

为了给学生营造一个更好的实验环境，有效配合实验室管理人员完成实验室的日常管理工作，设计一款基于STM32 的实验室环境安全智能监测系统。系统以STM32F103C8T6 为核心控制器，融合多传感器技术实现人体红外检测、温湿度检测、火焰探测、可燃气体检测和光照强度检测等环境信息的实时探测，当检测到数值超标时，系统及时驱动执行机构并报警，防患于未然。经过现场测试，系统各项功能工作正常，系统工作稳定、反应速度快、误差小、实时性好，基本达到预期目的，具有较强的实用价值。