实验室环境智能监测控制系统的设计与实现

黄秋萍,陈海云,叶 凯

(浙江师范大学物理与电子信息工程学院,浙江 金华 321004)

在“大众创业,万众创新”的新时代背景下,培养思维活跃、具有创新精神和综合实践能力的创新型人才已成为高等学校人才培养的基本要求。培养创新能力和综合实践能力的本质就是鼓励学生多动手、多实践,在实践中促进学生综合能力的协调发展,高校实验室是实验和实践教学的重要场所,更是学生锻炼动手能力的重要基地。为了更好地培养学生的创新创业能力,高校实验室在常规的实验教学外,提供了各种广度和深度的开放服务[1-2],部分高校还增设了各类创新实验室,为学生提供竞赛和创新创业的孵化基地。实验室开放力度的加大及各类创新实验室的建立在促进学生创新创业能力培养的同时,也使实验室安全、防火防盗等管理工作面临极大的挑战。实验室安全问题是实验室工作的重中之重[3-4]。目前现有的智能产品和防护系统通常只侧重于某一方面,如温湿度的检测、有害气体监测、智能安防报警等,缺少不同功能系统的整合,尤其是与智能断电功能的整合。

为了更好地管理实验室,针对实验室内环境监测、节能断电及防盗报警等现实需求,本文设计了一款多功能实验室环境监测控制系统,通过人体感应实时统计实验室内人数。在工作模式下,根据人数是否为零自动开启或关闭电源,实现节能控制功能;系统可实时监测和显示实验室的温度、湿度、可燃气体浓度等参数,同时兼具日历和时钟功能。系统处于防护模式时,若检测到实验室内人数不为零,则系统通过SIM短信模块向设定的管理员手机发送报警短信。不管是工作模式还是防护模式,可燃气体超标时,系统将立即启动声音和短信报警,从而实现实验室的智能安全防护。

1 系统设计

实验室环境智能监测控制系统的主要模块结构如图1所示,硬件连接原理图如图2所示。主控模块采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机,具有高速、低功耗和超强抗干扰等优点,用以实现对多种环境参数量的采集、运算和显示的控制,并实现与短信模块的通信。

图1 系统主要模块结构图

图2 系统硬件连接原理图

环境参数检测模块包括DHT11数字温湿度传感器和MQ-5气体传感器。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,可靠性和稳定性高,具有成本低、响应快、抗干扰能力强、精确校准等优点。温度测量范围-20～+60 ℃,测量误差±2 ℃,湿度测量范围为5%～95%,测量误差为±5%[5,6]。DHT11的DATA信号与单片机的P0.5引脚相连,单片机依据DHT11输出时序格式读取温湿度数据。MQ-5气体传感器以电导率较低的SnO2作为气敏材料,对甲烷的检测有很高的灵敏度,检测浓度范围可达300～10 000 ppm[7-10]。MQ-5的AO输出模拟信号接单片机的P1.5引脚,利用单片机内部A/D转换器转换成数字信号,供LCD显示。

SIM短信模块采用SIM900A,支持2G、3G和4G手机卡,插入手机卡即可自动连接网络,该模块体积小巧、功耗低,支持短信、GPRS数据传输、发送彩信、DTMG、HTTP、FTP、PPP拨号等功能。SIM900A模块板载工业级双频GSM/GPRS模块,支持900/1800Mhz双频工作频段,可以低功耗实现语音、短信和GPRS数据的传输[11-14]。单片机通过RXD、TXD与SIM900A相连,串口发送相应的AT指令控制SIM短信模块发送设定好的短信内容至指定管理员手机。

人体感应系统由超声波模块HC-SR04和微型红外热释电模块SR602组成。超声波模块HC-SR04可实现2-400cm的非接触式距离感测功能,测量精度为3 mm[15]。微型红外热释电模块SR602能在0～5 m范围内感测到人体发射的红外信号,可实现对移动人体的感应检测[16]。系统设计在门外和门内分别安装一组SR602红外热释电模块与HC-SR04超声波模块,超声波模块通过测量距离变化感知门框中物体存在,再由红外热释电模块确认是人体,两者组合使用进行双重判断,能更准确地检测到人体,防止误判。同时,超声波辅助检测可弥补红外热释电传感器对静止人体红外信号不敏感的不足。通过门内外两组人体感应信号出现的先后顺序可判定人员的进出状况,从而实现对实验室内人数的实时统计。门内外SR-602模块的OUT信号分别接单片机的P0.3和P0.4引脚,两组HC-SR04模块的Trig和Echo信号分别连单片机的P1.4、P1.3和P3.6、P3.7引脚。

此外,该系统还配置有时钟模块DS1302,用于生成日历和时间信号供单片机读取显示,增强实用性。DS1302模块的CLK、DAT和RST信号分别连接单片机的P1.0、P1.1和P1.2引脚,单片机采用同步串行方式读取模块数据。显示模块是常用的LCD1602,用于显示日期、时间及其它环境参数和状态信息。

智能控制系统的软件流程如图3所示,系统每隔2 s采集一次人体感应和环境数据,根据监测数据结果和系统设置的“工作”或“防护”模式,综合判断并做出响应。

图3 系统控制软件流程图

处于工作模式时,根据实验室内人数是否为零来控制灯光开关和电源输出。实验室内人数为零时,系统控制延时关灯并停止部分电源输出,检测到人数不为零时自动恢复供电。处于防护模式时,默认实验室内人数为零,若系统检测到人数不为零,则报警器发出声音警报,同时向设定的手机发送入侵报警短信。可燃气体浓度超标时,在两种模式下都能立即启动声音和短信报警,从而实现安全防护功能。

2 结果分析

设计完成的实验室环境智能监控样机系统如图4所示。

图4 实验室环境智能监测控制样机系统实物图

工作模式下的监测结果如图5所示,LCD1602显示的内容从左至右第一行依次为年、月、日、星期、室内人数、当前模式和可燃气体浓度,其中“N”表示工作模式,防护模式时显示为“K”;第二行为时间、温度和湿度。图5(a)所示为实验室内人数为零,系统检测到有人进入时,人数加一,开启实验室内电源(样机中以白色LED点亮指示),如图5(b)所示。人数再次减为零后,白色LED将延时40 s后熄灭,即延时关闭室内电源。

(a) 人数为零

防护模式下的监测结果如图6所示,正常状态下实验室内人数应为零,如图6(a)所示;若监测到实验室内人数不为零,如图6(b)所示,则意味着有人入侵,系统将在现场通过蜂鸣器发出警报,同时发送短信至管理员手机,如图7(a)所示。若可燃气体的监测结果超标,不管是在工作模式还是防护模式下,系统都将同时开启声音报警和短信报警,短信报警内容如图7(b)所示。经测试,该系统能有效检测和记录实验室内人数,异常报警及时可靠,同时环境参数监测准确。

(a) 人数为零

3 结 论

本文设计了一款实验室环境智能监测控制系统,该系统通过人体感应实时统计实验室内人数,在工作模式下实现对实验室照明和其它电源系统的智能控制,以达到节能环保的目的。系统在防护模式时,可根据室内人数判断实验室环境是否正常,异常状态时通过短信向管理员报警。在节能控制与智能防护功能之外,系统同时具备万年历功能,可以显示日期、时间、温度和湿度等室内环境参数,并能对可燃气体进行实时监测,当气体浓度超标时会立即通过声音和短信向管理员报警。该系统结构简单、操作方便,环境参数检测准确可靠,适用于实验室,尤其适用于各类开放实验室和创新实验室,可以有效配合实验室的安全管理工作,具有较大的实用价值,同时也能为学生提供一个安全可靠、自由度更高的良好的实验环境,在新时代背景下助力高校培养学生的综合实践能力和创新创业能力。