智慧实验室安防系统研究设计

陈印超，叶名炀，陈嘉豪，王琪霖

（华南农业大学，广东广州，510000）

0 引言

电子物理类实验室是高校教学的重要组成部分，是新形势下培养人才、设计创新产品和服务于社会现代化建设的主要场所[5]。近年来，随着“双一流”建设的推进，各大高校电子物理类实验室的数量增加显著，安全隐患呈现出多样性、阶段性、小群体性和难预测性的变化趋势[1]。电子物理类实验室极易因线路老化和使用者操作不当等原因造成电器设备烧坏既而引发诸如火灾等一系列的安全事故，在当前形势下仅靠传统的人防难以实现对危险源的精准管控。同时，电子物理类实验室的仪器设备大多比较昂贵，一旦因为外来人员偷盗将会造成较大的财产损失，同时也会妨碍相关教学工作的进行，所以对于该类实验室的防盗也至关重要。

因此，亟待设计一款智能化的实验室安防系统，能够借助传感器和物联网技术来对该类实验室的各种安全细节，如温湿度、电器设备烧焦气体浓度以及用电情况等进行监测并及时做出警报，以此来有效避免实验室安全事故的发生。基于以上现状，利用HT32F52352单片机作为主控制器，设计出一款可实时监控、方便操作、智能甄别预警的实验室综合安防系统。

1 系统创建构想

■ 1.1 创新性分析

本实验室安防系统将防盗、安全集于一体，使用单片机的多个模块将电子物理类实验室的环境数据信息化、数字化，实现对实验室安全的精准管控，保障昂贵仪器设备等物品的安全，以较低的成本解决了传统实验室管理模式成本高、管理复杂等的问题。系统的创新性包括以下三个方面：

第一，结合物联网技术应用到实验室安防领域，设计了能应用于实验室的智能控制系统，能有效监测和控制实验室的环境参数并通过WiFi传输至监控中心，以供老师或管理员使用，实现人机信息交互和远程管理，让老师不需要守在实验室也能通过电脑掌控实验室的情况；

第二，对实验室电器设备烧坏时散发出的烧焦气体进行及时检测和温度检测，在一定程度上可以提前输送火灾报警信息，可以有效规避实验室火灾事故的发生；

第三，本系统在满足电子物理类实验室日常需要的同时,也优化用户体验,让实验人员能安全、高效地使用、管理实验室,达到我国对高校实验室建设与管理提出的要求和期望。

■ 1.2 可行性分析

随着物联网技术的推广，无线传输技术越来越广泛地利用在了智能化控制领域。同时，传感器检测技术的发展，使得一些性能优异的传感器可以更加容易地获得和使用。本系统采用的模块均具有成本低、性价比高、易于安装的特点,并采用32位高性能低功耗单片机HT32F52352作为主控制器；比较WiFi、蓝牙、Zigbee三种传输方式，可知WiFi方式具有传输距离远、传输速率快的优势[2]，符合本项目的需求；用Qt编写上位机效率高、可拓展性好，为管理员提供最为直观、简单的操作。

2 设计原理

智慧实验室安防系统是一个多功能模块集成的项目，为了实现项目的功能，我们需要用到如下硬件模块：人脸识别模块、温湿度传感器、人体红外传感器、气体传感器、WiFi模块、LCD显示屏、舵机、继电器以及主控制器HT32F52352单片机。

人脸识别模块采集录入人脸信息，并传送逻辑信号给主控芯片，由此判断门禁系统的开与关。温湿度传感器、人体红外传感器、气体传感器分别检测温度湿度、人体的红外辐射、电器设备烧焦气体（一氧化碳、二氧化硫等）浓度，这些信号传入主控芯片后，主控芯片进行逻辑分析，与管理员设定的阈值进行比较，当温度或烧焦气体浓度过高时触发报警信号；当检测到无人超过10min后，自动断开继电器模拟自动断电。采集到的数据一方面实时显示在屏幕上，一方面通过WiFi发送给上位机方便管理员查看。

3 系统硬件设计

本系统的硬件部分以HT32F52352单片机为主控，包括人脸识别模块、人体红外传感器、温湿度传感器、气体传感器、WiFi模块、舵机、LCD显示屏以及外围按键电路。结构框图、电路原理图分别如图1、图2所示。

图1 硬件部分结构框图

■ 3.1 HT32F52352控制中心

系统的核心控制电路，实时接收环境检测的信号，运行融合算法，判断当前情景下需要采取的操作，控制门禁与报警系统的工作状态，与管理员之间通讯等。

■ 3.2 人体检测电路

采用HC-SR501传感器，HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块,采用LHI788探头设计、敏度高、可靠性强,低电压工作模式,广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。外接电路如图2所示，VCC工作电压+5V，DATA接单片机引脚。

图2 硬件设计电路原理图

■ 3.3 温湿度检测电路

采用DHT11模块[3]。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。可用于暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、气象站、家电、湿度调节器、医疗、其他相关湿度检测控制。VCC工作电压+3.3V，DATA接单片机引脚。

■ 3.4 烟雾检测电路

采用MQ-135模块。MQ气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在一氧化碳、硫化物等电器设备烧焦产生的气体时，传感器的电导率随空气中相应气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-135气体传感器对一氧化碳、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，是一款适合多种应用的低成本传感器。VCC工作电压+5V，AO接单片机引脚。

■ 3.5 无线通信电路

选用专为移动设备和物联网应用而设计的ESP8266模块，内置超低功耗Tensilica处理器，CPU时钟速度最高可达160MHz，标准数字外设接口，能适应各种操作环境，保持稳定的性能。将WiFi模块通过家庭的无线路由器接入网络。

■ 3.6 人脸识别模块

采用K210-AI模块。K210是一款64位双核带硬件FPU、卷积加速器、FFT、Sha256的RISC-V CPU。该模块支持MCU常规操作，集成了硬件加速的AI机器视觉，可对人脸特征进行学习，实现了对人脸信息的实时录入，方便了门禁系统的管理。本作品使用此模块，仅简单调用人脸识别模型，不作其他控制用途，无多余的外围电路。

■ 3.7 显示电路

采用一块3.2寸的TFT液晶触摸屏，该屏幕采用XPT2046芯片作为触摸控制芯片，XPT2046芯片控制4线电阻触摸屏，HT32F52352与XPT2046采用SPI通讯获取采集得的电压，然后转换成坐标，实现较为准确的触控。

4 系统软件设计

系统的软件部分设计采用基于Qt开发交互界面[4]的上位机软件。Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，它拥有较多的可自定义的C++类库。当Qt使用QTcp Socket类的时候，可以实现网络通讯；而当Qt使用带UI界面的QWidget类的时候，则可以快速实现可视化图形界面APP的编写[6]。

Qt既可以用于开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，例如控制台工具和服务器等。作为一种面向对象的框架，Qt使用特殊的代码生成扩展以及一些宏，同时容易扩展，并且允许真正地组件编程。

本系统中，HT32F52352单片机利用TCP协议通过路由器发送数据至PC机，PC机socket接收并利用QT将接收的数据显示。在PC机创建Qt上位机软件，登录系统软件后将显示图3所示的主界面。主界面上显示“设备控制”、“环境监测”等功能按键。点击“环境监测”按钮，可以实现对实验室系统环境数据（温湿度、电器设备烧焦气体）的实时观测；点击“设备控制”按钮，管理员就可以远程操控下位机的控件，如开门、开灯等具体操作。

图3 Qt上位机软件界面

5 系统规划图及说明：

■ 5.1 门禁部分

如图4所示，门禁系统初始化过后便开始进行工作，运行方式包括人脸识别和密码登录两个选项，进入实验室的人员可以选择其中的任意一种方式来完成身份验证，身份验证通过则开锁进入实验室，身份验证失败则将重新返回登录界面，等待下一次的操作。

图4 门禁系统流程图

■ 5.2 环境检测及断电检测

如图5所示，系统通过传感器进行环境监测和断电检测。当环境数据（温湿度、气体浓度等）超过阈值时，则触发报警，并将信息通过无线WiFi传至PC上位机，告知实验室管理员；当人体红外传感器检测到实验室无人并且超过10分钟时，则系统自行对仪器进行断电，以此来规避不必要的麻烦。

6 结语

本系统利用HT32F52352单片机作为主控制器，由人脸识别模块、各类传感器模块（人体红外传感器、温湿度传感器、气体传感器）、WiFi模块、LCD显示屏、舵机、继电器组成。系统能够实现对进入实验室的人员进行人脸识别的核查、利用各类传感器对实验室内部潜在的安全隐患（温度、电器设备烧焦气体等）进行识别排查、对实验室无人情况时的自动断电处理以及利用WiFi技术对采集到的各项数据进行发送和传输的功能，对于现代各大高校的电子物理类实验室的安全隐患和防盗具有十分重大的应用推广价值。