電氣實驗室安全預警系統設計

劉磊 孫曉菲 唐含 范超 盛婕

摘 要：為解決高校電氣實驗室安全問題，提出了一種基于傳感器、藍牙模塊和無線通信模塊的實驗室安全預警系統。以STM32為主控芯片，利用火焰傳感器、溫濕度傳感器、霍爾電流傳感器和防盜模塊進行實時監測，發現異常，即刻報警，同時將報警數據傳送至主機，主機將顯示各項指標狀態并實時繪制實驗室溫濕度波形曲線。在不同安全狀況下報警率達到90%以上，誤報率低于5%，實現了實驗室各項安全指標的實時監測以及主機與多個檢測系統的對接。

關鍵詞：自動化技術；智能安全預警；STM32；傳感器

1 概述

實驗室作為高校實踐教學的重要場所，電氣實驗室更容易出現各種安全問題，濕度過高會降低電氣設備的絕緣強度，加速設備老化甚至發生火災；設備溫度過高會引起過熱跳閘，甚至燒壞設備；對加熱設備和電器設備使用不慎也容易引發各類問題，比如以學生實踐為主的實驗室常常會有人用完電烙鐵和轉印機等設備離開后忘記斷電，導致燙傷事故的發生甚至引發火災；以及實驗室貴重設備和物品被盜等。隨著實驗室環境和設備的復雜化，更加需要對突發的安全狀況進行實時監控并相應處理。

2 硬件設計

2.1 系統總體設計

系統以STM32單片機為控制核心，用火焰傳感器監測實驗室是否發生火災；用MPU6050模塊作為防盜模塊，實時監測布防柜門的狀態，若發生意外打開立即報警；用HC-05藍牙串口模塊實現系統與用戶手機的交互，用戶連接成功后可以用手機作為遙控器操作菜單、錄入相關參數等；用蜂鳴器報警作為主要的聲音報警方式；用DHT11模塊作為溫濕度傳感器實時監測實驗室溫濕度并顯示在TFT液晶屏上；用防水DS18B20溫度傳感器實時監測設備溫度；用霍爾電流傳感器檢測電烙鐵是否通電，配合人體紅外熱釋電傳感器進行電烙鐵違規操作的檢測；用NRF14L01模塊實現與主機的無線通信，主機以STM32單片機作為控制核心，配以TFT液晶屏進行波形和各項檢測指標狀態的實時顯示。

2.2 藍牙串口模塊

ATK-HC05藍牙串口模塊是一款高性能的主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機等連接，支持波特率范圍為4800-1382400，兼容5V和3.3V的單片機系統。

2.3 NRF24L01模塊

NRF24L01芯片，使用2.4G全球開放的ISM頻段，最高工作頻率2Mbps，抗干擾能力強。125個可選通道，滿足多點通信和調頻通信的需要，可自動應答，確保數據的可靠。

本系統中采用該模塊進行主機與檢測系統的無線通信，檢測系統設置為Tx模式，實時發送溫濕度檢測數據以及各個報警指標的檢測結果，32個字節的數據包內定義第1個字節為數據類型標志。主機設置為Rx模式，接收到數據包后，根據第1字節判此次數據是報警標志還是數據標志，若為報警標志則根據第1字節內容進行相應報警，若為數據標志則將第1字節之后的數據繪制在液晶屏上。

2.4 防盜模塊

采用MPU6050模塊，將加速度和角速度融合，得到模塊的姿態。將模塊固定到待防盜的柜門上，在布防模式下，一旦模塊的姿態發生改變則報警。由于本系統實現了萬年歷功能，故可以設定在每天的固定時間布防。管理員可修改系統密碼，只有成功連接才能設定布防、撤防。

2.5 電烙鐵智能監控模塊

主要由霍爾電流傳感器檢測電烙鐵線路是否有電流通過、由紅外熱釋傳感器檢測周圍是否有人。二者配合判斷操作者是否在離開時忘記關閉電源。同時該系統可同時檢測多個電烙鐵，并對每個電烙鐵的違規操作進行記錄，方便實驗室管理。

2.6 溫濕度傳感器

數字式溫度傳感器DS18B20檢測設備溫度，該傳感器可與單片機單線通信，編程易于實現且節省IO口，傳感器的溫度測量范圍為-55℃到125℃，分辨率高達12位，完全可以滿足系統的需求。在系統上電初始化之后，定時讀取傳感器的溫度值并與預設的溫度上限比較，超過溫度上限則進行報警。同時讀取到的溫度值也將實時無線傳送回主機，供主機繪制溫度-時間的波形。用DHT11數字式溫濕度傳感器檢測周圍環境的溫度和濕度，數據的處理方法與DS18B20相似。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

系統上電復位后，首先進行系統初始化。系統時鐘SYSCLK是提供STM32中絕大部分器件工作的時鐘源，系統時鐘可以選擇為PLL輸出，HSI或者HSE，系統時鐘最大頻率為72MHz[8]，通過AHB分頻器分頻后送給各個模塊使用。單片機部分外設的初始化設置主要包括：定時器初始化，用于系統所需的定時功能；串口初始化，用于單片機與藍牙串口模塊通信；SPI初始化，用于單片機與無線模塊和外部FLASH通信。然后進行各個模塊的初始化，成功后進入while（1）循環，輪流進行火焰、溫濕度、防盜、電烙鐵違規操作的檢測，若檢測到異常狀態，調用報警程序并返回數據至主機。

3.2 藍牙模塊程序設計

對于模塊的控制首先實現串口的初始化，以及串口的打印函數和串口2的接收處理。串口發送數據采用DMA發送，以提高系統實時性。串口的數據接收，采用了定時判斷的方法，對于一次連續接收的數據，如果出現連續10ms沒有接收到任何數據，則表示這次連續接收數據已經結束。然后需要按照模塊的說明書初始化模塊，包括IO口的配置以及對模塊是否存在的檢測。最后編寫相關的發送AT指令函數以便實現與模塊的交互。

4 系統測試

硬件組裝調試完成后，根據預期需求對系統進行測試，測試結果如下：

系統可以實時監測某設備的溫度和實驗室濕度。在溫濕度驟升或者高于某臨界值時進行報警，用戶可以手動輸入報警溫濕度或者選擇默認值報警。

在使用者離開電烙鐵、轉印機等高溫、耗電的設備時，若未關閉電源則進行報警，同時記錄違規操作，便于實驗室管理。 對放有貴重設備的柜門進行防盜報警，可以設置每天兩個時間段的固定時間開啟防盜。

利用藍牙串口模塊實現安卓手機與系統的交互，在檢測系統報警時主機也會進行相應的報警提示，同時主機實時顯示檢測系統測得的溫濕度波形，實現了主機對多個檢測系統的同時監控。

5 結束語

該實驗室安全預警系統以火焰傳感器、溫濕度傳感器、霍爾電流傳感器等傳感器模塊對整個實驗室的各項安全指標進行實施監控，用戶可以及時得知實驗室安全狀況，從而采取相應措施。用戶也可以用安卓手機與系統進行交互。本系統成本低，安裝方便，可在普通高校實驗室中廣泛應用。

參考文獻

[1]汪浩，田豐，楊溢，等.多模智能家居系統設計與實現[J].電子測量技術，2014，37（10）：20-24.

[2]劉舉平，余為清.基于GSM技術的智能家居遠程控制器設計[J].微計算機信息，2010，11：45-46.

[3]肖春華，張洪濤.基于教室LED照明智能控制系統的實現[J].電子設計工程，2014，22（15）：155-158.

作者簡介：劉磊（1993-），男，河北蔚縣人，本科在讀，主要研究方向：電氣自動控制技術。