基于传感器数据融合的实验中心安防配电系统

杜威，王宇，孟丽囡

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁锦州，121000）

0 引言

随着我国高校教学水平的快速发展，智能实验室技术不断向各大高校延伸。在智能化系统中，与研究人员日常生活安全问题最紧密相关的是智能安防配电系统，它是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统[1]。在实验室智能化系统中，应用最为普及的是实验室安全防护系统，火灾、有害气体泄漏和非法入侵是世界上发生频率较高的安防事件，几乎每天都有火灾、煤气泄漏和非法入侵事件发生，一旦发生火灾、煤气泄漏和非法入侵，将对研究人员以及实验室的生命财产造成极大的危害，于是各大高校开始寻求一种预先发现灾害的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全。实验室智能安防配电系统就是为了满足这一需求而研制出来的[2]。

1 总体设计

基于多传感器数据融合的实验中心无线安防配电管理系统采用“433MHz”无线传感组网、NB-IoT/WiFi 无线网络通信技术以及微信云技术，结合智能化实验中心安防应用需求，实现对整个实验中心的安防监测和管理。系统由单片机控制部分、无线发送接收部分、传感器信号调理部分、电压电流检测部分、分合闸控制部分、NB-IoT/WiFi 数据传输部分及声光报警部分组成，可分别通过云端服务器、微信云平台及手机APP 对实验室防配电状态进行监管，实现远程分合闸、多点防盗监测、环境参数监测以及燃气火灾监测等功能。具有实时监控、处警高效、微信交互以及支持智能化实验室控制等特点，对智慧实验室的发展提供了可靠的安全保障。系统整体结构框图如图1 所示。

图1 整体结构框图

终端主机以STM32F103ZET6 单片机为控制核心，采用无线传感技术及NB-IoT 无线通信技术，将红外传感器、烟雾传感器、有害气体传感器温湿度传感器、电压电流检测部分及智能分合闸部分构成空间安防传感网，对实验室环境进行监测。传感检测信息通过433MHz 无线模块传送给终端主机，同时分合闸机构通过电压电流检测模块将动作状态发送给终端主机，若有报警则由NB-IoT/WiFi 无线网络上传至云端服务器。由Web 管理程序处理报警，以电话、短信和微信通知管理人员。管理人员可通过微信与网页对实验中心安防状态进行查询与监测，实现远程布撤防及智能分合闸操作；同时授权临时人员通过登录手机APP 可获取实验室环境参数信息，实现远程实时安防监控。

2 系统硬件设计

实验中心无线安防配电管理系统硬件电路以单片机STM32F103ZET6 为核心控制器，外围电路分别包括采集信息的传感器电路、门磁锁模块电路、声光报警电路、NBIoT/WiFi 无线传输电路、无线收发电路、分合闸电路以及核心控制电路。

■2.1 传感器电路设计

无线安防配电系统需要完成对温湿度信息、烟雾浓度、一氧化碳浓度、是否有人员闯入状态的采集与发送，温湿度传感器采用DHT11，其湿度范围为5%RH～95%RH，温度范围0℃～50℃[3]，一氧化碳传感器采用MQ-9，烟雾传感器采用MC14468 离子烟雾探测报警专用芯片，判断是否有人员闯入采用热释电红外传感器HC-SR501，主控制器和各个传感器之间通过433MHz 无线通信模块进行通信。

■2.2 RFID 射频电路设计

门磁锁对实验室的安全防盗起到至关重要作用，本系统设计门磁锁满足实验室的安防需求，并可通过微信小程序和RFID 刷卡实现开关锁操作。RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合（电感或电磁耦合）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的[4]。RFID 电路原理图如图2 所示。

图2 RFID 电路图

■2.3 433MHz 无线通信模块

■2.4 无线传输电路设计

433MHz 无线通信模块有一个防干扰性能，支持多种无线数据通信的点对点传输，安全、安装绝缘，使用方便，成本效益好，稳定性和可靠性高[5]。433MHz 发射与接收电路图如图3、图4 所示。

图3 433MHz 接收电路图

图4 433MHz 发射电路图

图5 系统架构图

NB-IoT 无线通信模块采用WHNB73 模 块，WH-NB73 终 端 接 收 到 数 据采集指令后，返回单片机采集的数据，经主机处理后通过OLED 显示电路显示出来，并通过无线传输方式实时加载采集到的数据。通过单片机和无线传输模块的串口。根据获得的数据，可以进一步监测实验中心的相关参数[6]。通信模块接口电路图如图6 所示。

图6 通信模块接口电路图

■3.1 底层软件设计

3 软件设计

无线终端采用STM32F103ZET6 为控制核心，在系统上电后，单片机进行初始化，显示“欢迎”界面。然后系统判断是否进行布防操作，如果未布防，系统自动返回，如果布防，系统将检测传感器各节点报警信息，如果各节点均未报警，再自动返回。如果有报警情况发生，液晶屏幕将显示报警信息，同时无线终端对报警信息进行处理、组帧加密，通过串口/网页配网与NB-IoT/WIiFi 模块交互数据，通过NB-IoT/WiFi网络向云端服务器传送，并向用户发送短信、微信和拨打电话进行报警。底层程序流程图如图7 所示。

图7 底层程序流程图

■3.2 火灾检测算法设计

本设计主要通过检测实验室内一氧化碳浓度、温度和烟雾浓度来判断是否发生火灾，本设计采用BP 神经网络算法对传感器采集到的数据进行数据融合，BP 神经网络分为输入层、隐含层以及输出层三部分组成[7]。其中关键是隐含层神经元节点的选择，它直接影响到BP 神经网络的特定性能，一般选取规则如式(1)所示。

其中，输入层数量为p，输出层数量为q，a∈ [1 ,10]。同时引入S 型激活函数：

设输入层与隐含层权值为ijω，阈值为jθ，隐含层与输出层权值为vjt，阈值为tγ。误差函数e，精度值为ε，学习数为M。

隐含层输入如式(3)：

1.2.1 标本采集 采用无菌阴道拭子擦除女性患者宫颈口周围黏液后，用新的无菌阴道拭子插入宫颈口内约1～2 cm，转动并停留约30 s，旋转取出含阴道上皮细胞的标本，置于无菌管内及时送检。分别采用固体培养法、液体培养法及PCR法进行检测。

输出如式(4)：

输出层输入如式(5)：

输出如式(6)：

实际输出与期望输出的单元误差如式(7)：

中间层误差如式(8)：

输出层权值如式(9)：

阈值修正如式(10)：

其中，N 为学习速率。

隐含层权值如式(11)：

阈值如式(12)：

■3.3 微信小程序设计

小程序目前可以进行账号注册、用户登录、退出登录、数据实时显示、报警、开关控制、日志查看等操作。开发实验中心智能监控系统手机小程序的作用主要是方便操作者随时随地查看实验中心终端的运行情况。

在监控室出现供电故障时上位机无法起到监控作用，在这种情况下可以通过手机对监控室监控的多个实验室终端的运行情况进行操控，当检测值超过设定阈值时，可通过手机小程序控制开关。

监测功能界面实现了对智能配电箱终端数据的监测功能。监测功能界面可以实时显示从云平台接收到的数据，而相应功能的监测界面对接收到的数据进行解析处理，解析出各自需要的数据并显示在列表控件中，实现无线安防配电系统对环境参数的监测功能，其中对接收数据的解析处理是此界面设计的重点。安防配电系统的微信小程序初步实现的功能如图8 所示。

图8 小程序功能图

■3.4 NB-IoT 无线通信软件设计

选用NB-IOT 模块中的WH-NB73 模块构成的无线数据传输电路，只需要将单片机（RX、TX）串口连接无线传输模块的接口（TX、RX），即可完成接连实现数据的传递发送功能，工作时以极低的功耗实现无线数据传输的同时不会对发送到远程的数据有任何影响[8]。通过传感器模块电路将检测的环境参数信息发送给单片机，单片机与无线通信模块连接并发送传输指令，当终端接收到数据之后，就能进行数据的显示对比[9]。初始化端口配置中设置了相应引脚的GPIO 模 式，通 过STM32F103ZET6 单 片 机 与NB-IOT 模 块中的WH-NB73 模块的通信就能实现无线数据的传输。通过检测是否收到数据再决定WH-NB73 模块是否与远程终端完成数据通信，再通过检测数据是否发送到终端显示后决定重新发送还是继续往下实时监测数据。

■3.5 服务器软件设计

服务器软件设计中的关键在于根据网络通信协议来实现网络数据获取，同时能够对数据库进行访问，并且这些功能要集成在一个软件中，本软件的设计用Html +JSP 编程语言来设计管理系统界面。具体服务器原理框图如图9 所示。

图9 服务器原理框图

云端管理程序通过主控机UI 界面实现对整个实验中心的设备状态检测、报警数据查询、报警信息显示及报警处理等功能。具体完成了集撤/布防成功、煤气探测器报警、烟雾探测器报警、红外探测器报警等功能于一体的故障报警系统；同时软件会自动记录故障信息并提供查询功能。

服务器管理程序用户名唯一，用户填入信息后，系统会将填入的信息同数据库中注册信息表中相应字段进行比较，若相同则可以进入系统。密码输入检查会将输入的密码与系统保存的密码做字符串比较，若不一致则给出提示信息，以防止非法用户进入系统，避免误操作，提高系统可靠性。

服务器的安防监测系统界面包含事件信息、客户信息、处警信息、维修管理、使用记录查询以及安全退出六部分。其中，事件信息包含事件信息界面与故障信息界面：事件信息界面包含账号、客户名称、地址、联系电话、事件类型、防区、位置、发生时间、状态，实时显示实验室内各个传感器报警状况，并指示各个防区工作状态。

4 系统测试

整体制作完成后，对系统主要功能进行了测试，包括传感器和信息采集测试、无线通信测试以及远程投切测试，测试了安防配电系统的完整性及其稳定性。测试完成后，又对其进行检测实验，检测过程如图10 所示。

图10 检测照片

使用NB-IoT 无线终端主机进行系统测试。在系统上电后，常按主机复位键约7s 重启程序。首先进行433MHz 学习，按住主机复位键与传感器节点布/撤防键直至指示灯频繁闪烁，表示学习成功；同时，微信小程序与云服务器提示添加设备成功。其次进行传感器测试，在布防状态下，利用烟雾传感器的测试按钮模拟实际的报警情况，按住烟雾传感器测试按钮约2s，终端主机警笛发出“滴滴滴”报警声，表明烟雾传感器已通过433MHz 的无线发射方式，将报警信息发送给了终端主机，控制器鸣笛报警。同时，串口助手软件监视到报警组帧数据已通过串口COM11 发送到NB-IoT 模块，并经NB-IoT 无线通信传送到云端服务器IP 及端口[10]，并在系统管理软件界面及微信小程序显示报警信息数据。具体如图11 所示。

图11 微信小程序界面

测试数据见表1。

表1 实验测试数据

温湿度传感器检测温度和湿度分别为23℃和25%。布防后打开入户门出现门磁报警，有人体（手）进入模型室内感应出人体红外报警，采用打火机燃气测试有害气体传感器报警正常，开窗开门红外对管报警正常，以上信息在液晶显示器显示同时，向商户手机发送短信、微信和拨打电话正常。测试表明，系统可靠并完善地完成了各项安防监测和报警功能，达到了实验中心无线安防配电的要求。

5 结论

本文设计了一种实验中心无线安防配电系统，其结合了NB-IoT 具有较强的实时性，可在复杂的实验室环境中实时监控实验室内安防情况，使用多个传感器实时检测实验室内各项安全指标，并且通过NB-IoT 将实验室内各项安全指标发送到服务器，便于实验中心管理人员实时监控实验室内安全状况，能有效地避免实验室安全事故的发生。实验结果表明：该安防配电系统具有精度高、运行稳定和实时性强的优点。实验室智能化是我国未来的重点发展方向，因此，开发一套无线智能安防配电系统具有重要的现实意义。