实验室安全智能监测系统的设计

吕海英 张亚伟 智少雷* 李歆

（1.天津普赫科技有限公司 天津 300380；2.天津华鸿芯科技有限公司 天津 300270；3.国能销售集团有限公司 北京 100010）

引言

实验室智能监控一般利用网络通讯技术、安全监测技术、自动控制技术与实验室所需的设备进行集成，旨在构建一个具有完善实验设备和能妥善处理实验室各种事件的安全智能监测系统，用于提升实验室的环境友好性及安全性[1]。传感技术的不断进步促进了实验室安全智能监测系统的发展。目前环境智能监测系统的发展趋势如下[2-5]：

1）多传感器融合技术的应用。如红外传感器、声音传感器等，实现更加全面的环境监测和控制。

2）数据分析和处理的深入研究。环境智能监测系统更注重数据分析和处理技术的研究，采用更加高效、准确的数据处理算法，提高系统的监测和控制精度。

3）互联网和云计算技术的应用。环境智能监测系统将与互联网和云计算技术相结合，实现宿舍环境监测和控制的远程监测和管理。

4）人工智能技术的应用。环境智能监测系统将采用人工智能技术，实现更加智能化的环境监测和控制，为用户提供更加智能化的体验。

实验室是进行科研实验和教学实验的重要场所，常涉及到危险品和高压电等作业环境。安装实验室安全智能监测系统可以对实验室内的危险因素进行实时监测，及时预警和处理，保障实验室内人员的安全；可以减少因人为操作不当而造成的设备损坏和安全事故；可实现实验室环境的监测和自动控制，可以节约水、电、气等资源的消耗，实现环保节能的目标。本文基于单片机IAP15F设计了电力实验室安全智能监测系统。从实验室功能需求出发，对实验室环境温湿度监测、空气质量监测、噪声和磁场强度监测、火灾防盗报警以及Wi-Fi通信等方面功能进行了需求分析并确定了设计方案。系统包含电源模块部分、OLED显示部分、烟雾监测模块、噪声检测部分、独立按键模块、温度湿度传感器部分、空气质量监测模块、电磁场强度监测部分、红外防盗模块、负荷监测部分、声光报警模块以及Wi-Fi通信模块等。并在此基础上将硬件功能模块进行整合，完成系统整体硬件结构设计。该系统的设计可以满足实验室的安全需求，并具备可靠性、实用性和易操作性的特点。

1 系统功能需求分析及传感器选型

对功能需求进行分析是设计实验开发室安全智能监测系统的前提条件，通过分析系统功能需求确定产品设计方案。

1）火灾监测功能

火灾是实验室安全防范的重点之一。本监测系统利用IAP15F单片机搭配外部ADC0831模块进行烟雾浓度的数据采集，烟雾传感器输出的电压信号经分压电阻分压后直接发送给IAP15F单片机外部高速ADC模块，电路非常简单。由于MQ-2传感器输出电压范围满足单片机的需求，故无需搭配运算放大电路。

2）噪声监测功能

电力实验室包含大量电力设备，免不了由于机器运转而发出机械噪声及电磁噪声。实验室的噪声水平应在合理范围内，以免影响实验人员的工作安全和健康。本监测系统由麦克风采集环境声音转换为电信号通过运算放大电路把信号放大到能被IAP15F的外部ADC模块采集的范围内。然后通过程序把模拟量转换为数字量。

3）电磁场强度监测功能

电力实验室中的设备可能会产生电磁干扰，影响其他设备的性能和实验结果。故需要监测实验室中的电磁场强度，当电磁干扰超过一定限值时实验人员需要采取防护措施。采用霍尔元件进行磁场强度的检测。由于霍尔元件输出信号较弱，需要搭配运算放大电路将信号放大到ADC模块能处理的范围，通过ADC转换把模拟量转换为数字量。

4）空气质量及温湿度监测功能

一些实验需要严格控制环境温湿度。电力实验室进行温湿度监测可以获得准确的实验结果、保证实验安全和设备寿命。本系统采用MQ135传感器完成空气质量的监测任务，搭配ADC模块完成模拟信号到数字信号的转换，再通过单片机处理分析。采用DHT11传感器用于温湿度监测，其湿度测量范围（20～95）% RH，温度测量范围（0～+50 ）℃，量程范围满足环境需求。

5）负荷监测功能

电力实验室的设备功率往往很大，且负荷较多，因此耗电量较大，对于实验室负荷的监测也极为重要。通常情况下，大型实验器材同时满负荷工作可能会产生过负荷运行状态，而长时间的过载状态可能会导致设备损坏。本系统通过电流互感器得到负荷电流，在经过光电耦合隔离，电阻分压将电流信号转化为（0～5）V的电压信号，经 ADC模块后传入单片机，由此判断实验室的负荷情况。

综合上述需求分析及传感器选型，确定系统硬件框架结构如图1所示。

图1 系统功能模块结构图

2 电力实验室安全智能监测系统软件设计

将监测模块的功能整合，要求各个模块能够流畅切换并正常监测，能正常显示各个模块检测到的数据，数据超过临界值能够报警，按键能正常切换实时显示界面以及临界值调整界面，并能更改各数据的临界值。主程序流程如图2所示。

3 系统功能仿真及实物测试

在进行实物连接之前用proteus绘制仿真图，避免连接过程发现预定方案有问题或连接错误等问题，根据元器件使用手册对元器件的各个引脚进行线路连接绘制，组合在一起形成一个完整的系统仿真图，系统硬件仿真如图3所示。

图3 硬件电路仿真系统

图3 硬件电路仿真系统

本监测系统中火灾报警功能理应通过MQ-2传感器模块来实现，当烟雾传感器模块监测测值大于报警阈值时，观察系统能否及时发出报警提醒。将报警阈值设为50 ppm，测试结果如表1所示。

表1 火灾报警测试数据（单位：ppm）

本系统采用了多种传感器来实现对温湿度、烟雾浓度、一氧化碳浓度、噪声、电磁强度、负荷强度的监测，并通过IAP15F单片机和nRF24L01无线模块进行数据的传输和上位机的实时显示。当某一项环境参数超出设定阈值时，系统将自动报警。搭建测试系统如图4所示，图5、图6及图7为部分环境监测结果。

图4 系统实物测试

图5 实验室温湿度显示结果

图6 实验室环境监测结果

4 结论

本设计基于单片机进行了实验室安全智能监测系统样机的设计与开发，建立Proteus仿真模型验证功能及设计的正确性，进行了样机功能测试验证设计的有效性。相比目前环境监测设备，本设计详细分析了电力实验室的环境监测需求，开发了具有特定监测功能（如电磁、噪声及负荷）的环境监测设备。由于测试条件有限，系统可靠性有待进一步验证。后继将针对传感器的有效放置和现有控制系统的优化开展进一步的研究，最大限度提高监测准确性并降低设备的能源消耗。