基于STM32的实验室危险化学品管理系统*

宁一凡， 肖 可， 李 峥

(淮北师范大学物理与电子信息学院，235000,安徽省淮北市)

0 引 言

高校实验室作为培养大学生创新能力与科研能力的基地，为科学技术的发展注入了勃勃活力.然而，近年来多发的实验室安全事故暴露出实验室危险化学品传统管理的弊端，尤其是化学危险品实验室[1].化学危险品，种类多而往往用的很少，储存便成了一种问题.不仅如此，许多危险化学品本身就存在有毒性、有害性、不稳定性，在使用过程中存在着多多少少的风险性，因此对于危险化学品的安全管理应当值得关注.为降低学生在实验过程中使用危险化学品时的风险，提高高校对实验室危险化学品的监管能力，秉持安全性、可实施性、易管理性的原则，本文设计了一种基于嵌入式的实验室危险化学品管理系统，该系统以STM32F767为核心控制芯片，综合利用了无线传输技术、身份识别技术、数据监测技术等，实现管理员对危险化学品的智能化、自动化管理.

本文详细介绍了实验室危险化学品管理系统的总体设计情况与相关模块的功能实现，在参考各模块资料的基础上，进行选择与改进，并衡量其在STM32F767芯片上的兼容性与高效性，故作出如下设计.

1 系统整体概述

本设计由硬件部分和软件部分共同实现其功能.其中，硬件部分由STM32F767作为主控芯片，STC12C5A60S2芯片作为称重部分的处理芯片，分析处理HX711压力传感器采集的危险化学品的称重数据，还要通过电子便签与识读器读取相关物品名称及编号，并将处理后的相关数据通过Zigbee无线模块发送至STM32主控，并在OLED屏幕中显示.而STM32主控也能通过WIFI模块将数据提交至服务器.在门禁系统中，身份识别部分包括RFID识别、指纹识别和人脸识别，身份识别部分与Web网页授予的权限共同完成开锁任务.如果使用危险化学品时操作不当或者发生意外情况通过GSM模块向管理员发送短信.其次，是软件部分，Web网页为管理员提供了可视化的监测与管理手段，负责账号以及身份识别权限的授予.通过本设计，实现了管理员对危险化学品的智能化管理.其系统整体框图和危险化学品柜示意图如图1和图2所示.

图1 系统整体框图 图2 危险化学品柜示意图

2 系统硬件设计

本系统硬件设计主要由主控系统、称重模块、登录模块等组成.主控系统是整个设计的核心部分，协调各模块完成相应功能；称重模块对安全柜内危险化学品进行实施称重；登录系统主要应用于门禁系统，对使用者进行身份验证.

2.1 控制系统设计

主控模块是实验室危险化学品管理系统的核心部分，负责与各模块进行通信连接并协调各模块的稳定运行，在本设计中采用STM32F767作为主控芯片，STM32F767集成了丰富的接口以及众多模块，易于开发，其原理图如图3所示.鉴于本设计所需模块较多以及人脸识别的稳定性，使用该芯片用作本系统的主控芯片是非常合适的.

图3 STM32F767的原理图

2.2 称重模块

对危险化学品的质量监测，对精度和抗干扰性有一定的要求，HX711压力传感器符合以上要求，可较好地应用于本设计[2].使用时，通过安装有HX711压力传感器的托盘进行称重，在托盘安装RFID电子标签，通过识读器识别危险化学品名称及编号.每个托盘各连接一个STC12C5A60S2单片机进行数据的处理，之后通过Zigbee块将收集到的信息传输至主控，当数据读取成功时就会在OLED屏上显示对应容器内的危险品名称、编号及其质量.既避免了人工观测的不便，也避免了纸质便签由于长时间使用会损坏和腐蚀从而导致标签信息不清晰而造成危险化学品的误用.其电路连接图如图4所示，实物连接图如图5所示.

图4 HX711电路连接图

2.3 WIFI模块

图5 称重实物连接图

在本设计中，Web网页与安全柜的通信主要由WIFI模块实现，WIFI模块采用ATK-ESP8266，可供其选择的工作模式分别为STA/AP/STA+AP，为方便实际应用，本设计采用可以双向传输的STA+AP模式，STA+AP模式STA+AP模式是STA和AP模式的共存模式,既可以连接到其它无线网络也可以为其它设备提供热点[3].利用此模式可以连接主控与Web网页，负责发送化学品信息与使用情况至服务器的任务，其电路原理图如图6所示.

图6 WIFI电路连接图

2.4 GSM模块

本设计GSM模块选择ATK-SIM900A，ATK-SIM900A具有发送短信、语音通话、数据传输等功能[4]，本设计中主要应用了其发送短信功能.使用时首先在ATK-SIM900A模块中预先设置管理人员的电话号码，之后通过主控芯片STM32向ATK-SIM900A模块发送相关的AT指令来控制相关短信发送操作.针对不同情况向管理员发送不同的信息.

2.5 登录模块

2.5.1 指纹识别模块

本设计的指纹模块采用贝尔赛克指纹模组[6-7]，具有高精度高集成度、低功耗、高速度等特点.该指纹模组由指纹传感器、指纹识别算法、指纹算法芯片组成，指纹传感器主要负责采集指纹信息；指纹算法负责对采集到的信息进行预处理和比对；算法芯片则是算法运行的主要场所.在进行手指检测时，先读取其状态引脚状态判断手指是否按下,当识别到手指按下信息时,则通过指纹传感器识别指纹信息并与模块中的指纹信息进行匹配.判断匹配信息,如果与预留指纹信息一致,则可开启门锁.其指纹识别流程及软件配置效果如图7和图8所示.

图7 指纹识别流程图 图8 指纹采集效果图

2.5.2 RFID模块

本设计采用MFRC522作为射频识别模块.为了使用方便，学生可以使用校园卡IC卡用做RFID识别的认证标志，并将其校园卡作为开启安全柜的第一把钥匙.校园卡相当于一次性用卡，每次使用需要管理员提前授权，未授权的校园卡无法开启第一道门锁.在进行RFID识别过程时，主要完成两次通信，即识读器与学生校园卡的通信和识读器与STM32主控芯片的通信.由于校园卡已经携带学生本人信息，当学生持校园卡进入可识读范围内时，阅读器自动识别校园卡信息[8]，检测该卡是否已经登记过，是否在拿取时间段内，判定成功能够即可开启第一道门锁.

2.5.3 人脸识别模块

人脸识别在本设计中对老师或学生的脸部特性信息进行提取并识别[9].启动摄像头后，在采集范围内检测是否有人脸存在，如果检测到人脸，则采集人脸信息，对其脸部进行特征采集并作预处理，之后与数据库中已存特征模板进行匹配，信息吻合，箱门开启.本设计使用OV7670摄像头作为第二道门锁的人脸识别模块，OV7670摄像头灵敏度高，移动中的人物能够拍摄清晰；其有效像素较高可以得到更清晰的图像，提高了信息比对时的精确性[10].当第一道门锁开启之后，即可启动第二道门锁的摄像头进行人脸识别.硬件原理图如图9所示.

图9 OV7670摄像头硬件原理图

2.6 安全系统设计

危险化学品本身可能带有强酸性、强碱性或具有腐蚀性，因此安全柜的设计采用抗强酸、强碱及强腐蚀性的合金材料制成.作为化学危险品存储柜，需制定相应的安全管理措施，因此，一旦本系统中出现异常情况时便会触发警报系统，警报系统通过STM32F103RCT6芯片与蜂鸣器、振动传感器、红外传感器与GSM模块共同实现.

3 软件部分设计

在本设计中，管理员主要通过Web网页实现对安全柜的远程管理以及账号的分发；老师或者学生在获得账号后，需注册其相关身份信息，之后可通过Web网页向管理员发送使用申请，并注明所需危险化学品名称及使用量.在获得权限之后即可进入身份识别流程.其使用流程图如图10所示.

图10 程序设计流程图

3.1 Web网页设计

本系统的网页部分由Html5和JavaScript技术共同实现[9].首先，使用Html技术完成页面的布局，Html是Web开发的基础，可以实现对用户输入信息的采集并将数据，使Web网页可以实现一些基本简单的交互效果.然后在Html中使用JavaScript语言完善网页的实时、动态交互功能.综合利用Html和JavaScript技术，实现管理员的权限授予、使用情况查询功能，并能将各物品质量实时传输至Web网页.由于JavaScript的跨平台性，学生或者老师都可以对其正确执行.

4 系统调试

(1)首先在网页完成用户的登录，登录系统后，老师直接申请所需使用的化学品，学生申请时需规定时间段，申请时还需注明所要使用的危险化学品名称及克数，在申请经过管理员批准后.为保证安全，用户在登录时需详细了解实验室管理准则，再申请所需药品，其登录主界面和申请界面分别如图11和图12所示.

图11 身份登录界面 图12 申请相关化学品界面

图13 OLED显示界面

(2)在获得批准后，即可在安全柜拿取相关危险化学品，当老师或学生开启门锁时须按照实验室管理准则，拿取时要小心合理，既不能拿错也不能多拿少拿，并注意完好放回，防止其本身携带的挥发性或者腐蚀性带来的不良影响.操作完成后，显示屏会显示“柜门已关好”，此时，使用者方可离开，之后，柜内各部分模块重新启动，将使用情况发送至服务器，且将剩下的化学危险品重新称重并通过Zigbee传输数据至STM32主控在OLED屏显示.显示界面如图13所示.

(3)如果出现意外情况或操作不当，则会触发警报系统.警报系统主要针对以下几个场景：身份识别错误，拿取物品与所申请不符，拿取克数与所申请不符，柜门长时间处于开启状态皆会触发警报装置.此外，柜门设置红外传感器与振动传感器，当检测到安全柜附近长期检测到人体，有人误触保险柜或强行开启安全柜时，也会触发警报装置.

通过多次测试，结果表明通过Web网页给管理员管理带来了极大便利，网页数据显示与柜内储存数据一致，且出现上述情况时能及时触发蜂鸣器警报，手机能收到信息.

5 结束语

本文设计了一种基于物联网技术的智能实验室危险化学品管理系统，综合利用了身份识别，数据监测，网站设计等技术，以STM32F767芯片作为主控，实现了数据采集、观测与控制一体化的智能化系统.经过实际测试表明：该系统能达到预期效果,身份识别高效稳定，HX711采集质量数据精准,无线传输稳定，通过本设计可以有效地完成高校对危险化学品的智能化管理.