基于單片機與無線網絡的實驗室安全管理系統設計

彭嵐峰 李曉芳 章小寶

摘 ?要： 為加強對實驗室的安全管理，文中開發設計基于單片機與無線網絡的實驗室安全管理系統。該系統以Tmega16單片機為主控平臺，采用RFID技術實現智能電控鎖，并通過雨滴傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器等一系列傳感器來實現實驗室環境的實時監測，同時采用繼電器進行實驗設備的自動控制。經過實驗測試表明，該系統能夠滿足設計要求，提高實驗室管理效率，且降低了安全隱患。

關鍵詞： 實驗室管理; 安全管理系統; 無線網絡; 電控鎖; 實時監測; 自動控制

中圖分類號： TN711?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0075?04

Design of laboratory safety management system based on single chip

microcomputer and wireless network

PENG Lanfeng1， LI Xiaofang2， ZHANG Xiaobao1

（1. School of Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330029， China;

2. School of Electronics and Information， Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330044， China）

Abstract： A laboratory safety management system based on the single chip microcomputer （SCM） and wireless network is developed and designed in this paper to strengthen laboratory safety management. In the system， the intelligent electronic lock is realized with the RFID technology and Tmega16 SCM as its main control platform. Real?time monitoring of the laboratory environment is realized by means of a series of sensors such as raindrop sensor， smoke sensor， and flame sensor. The relay is used for automatic control of the experimental equipments. The results of the experimental test show that the system can meet the design requirements， improve laboratory management efficiency， and reduce the potential safety hazard.

Keywords： laboratory management; safety management system; wireless network; electronic lock; real?time monitoring; automatic control

隨著高等學校教學創新的發展，推動學生的實踐能力成為廣受關注的問題。為了培養學生的創新實踐能力，不少高校創建了開放實驗室。隨著開放實驗室的設備不斷升級，設備價值也不斷增大，實驗室的防火、防水、防盜等安全問題急需解決。與此同時，部分實驗涉及到有毒、有害氣體等材料的使用。因此，對實驗室的有毒氣體進行檢測尤為重要[1?4]。本文設計開發了基于單片機和無線網絡的實驗室管理系統，系統以Tmega16單片機為主控平臺，通過RFID技術電控鎖、傳感器、設備控制系統實現對實驗室的安全管理，并通過無線網絡將數據傳輸至系統后臺進行實時監控，大幅提高了實驗室的管理效率，且降低了安全隱患。

1 ?安全管理系統設計

圖1為本文開發設計的實驗室安全管理系統架構。整個實驗室安全管理系統的控制平臺為Tmega16單片機，系統主要包括3個模塊，分別為智能門禁模塊、傳感器模塊以及實驗室設備控制系統。門禁模塊用于管理進出實驗室的人員，學生通過提前預約實驗室門禁權限刷卡進出實驗室，而系統后臺也會記錄實驗室的人員進出情況。若不具備門禁權限，則無法進入實驗室。傳感器模塊包括煙霧傳感器、水滴傳感器、火焰傳感器、溫濕度傳感器等，對實驗室的環境進行全方位的自動化監測，且監測數據可以通過ZigBee，再經過無線網絡傳輸至PC端。實驗室設備控制模塊主要通過控制繼電器的閉合和斷開來實現對實驗室設備的通斷電，進而管理設備的使用。學生預約使用實驗設備，通過刷卡獲取設備使用權限，繼電器接通為設備通電并打開設備，使用完設備后刷卡注銷。

圖1 ?實驗室安全管理系統結構示意圖

1.1 ?系統硬件設計

實驗室門禁管理系統是用戶進出實驗室的安全屏障，主要由單片機控制平臺、門鎖系統和讀卡模塊[5?8]組成。門鎖采用電控鎖，讀卡模塊采用RFID識別技術。RFID是一種非接觸式識別通信技術，其能穿透冰雪、污垢等惡劣環境讀取標簽信息，且數據讀取速度極快，平均數據讀取時間約100 ms。因此，被廣泛應用于身份識別、門禁控制等系統中。

系統中傳感器及設備數據通過ZigBee節點傳輸至網絡協調器，再經過以太網網關通過無線網絡，最終到達PC客戶端上實時顯示。系統網絡結構如圖2所示。

圖2 ?系統網絡結構圖

本文采用MF RC522 RFID識別模塊，其模塊電路如圖3所示。其中，MODE1～MODE3為3種不同的模式，接高電平有效。當MODE1接高電平，表示波特率為9 600 b/s;當MODE2接高電平，表示電路為串口輸出模式;MODE3接高電平則是主動模式。RC522芯片的TXD端與MSP430單片機的P3.7端口相連，其設置串口1的接收狀態，提高RFID的讀卡實時性。TX1，TX2與感應天線CIRCLE相連，STATUS與單片機的P1.2連接，用于讀取RC522芯片的工作狀態;單片機的P1.3與動作電機相連，其通過繼電器控制電子鎖的動作電機，用以完成開門和鎖門等動作。

水滴傳感器用于檢測實驗室中管道的漏水情況，包括實驗室上下水道以及實驗室試劑存放地的漏水情況，其電路如圖4a）所示。正常情況下，電路中LED燈亮，輸出低電平。當檢測到水滴時，LED燈熄滅，同時電路輸出高電平，觸發報警器[9?10]。

圖3 ?RFID電子鎖電路

圖4 ?傳感器模塊電路

圖4b）和圖4c）分別為煙霧傳感模塊電路與火焰傳感器模塊電路。當檢測到煙霧及有毒氣體時，電路輸出高電平，觸發報警器。對于火焰傳感器，其通過紅外接收管來探測火焰。當檢測到火焰時，紅外接收管的電阻變小，電路輸出低電壓。通過多種傳感器組成傳感器模塊，能夠對實驗室的整個環境進行實時監測。

1.2 ?系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 ?系統軟件程序流程圖

系統上電后首先進行初始化，之后對系統數據進行采集，并對數據進行處理。若有人刷門禁卡，判斷用戶是否擁有門禁權限，若有，則打開實驗室門禁;反之，則不打開。同時判斷是否有用戶刷卡獲取設備使用權限，通過相應的繼電器來控制設備的開關。系統通過傳感器采集到的數據判斷實驗室是否處于安全狀態，若發生火災、氣體或液體泄漏，則發出警報。

2 ?系統測試

圖6～圖8分別為設備控制模塊、門禁模塊和傳感器模塊的實物圖。

圖6 ?設備控制模塊實物圖

首先測試設備控制模塊，經過刷卡獲取設備使用權限后，繼電器能夠吸合使設備通電啟動。對于門禁模塊，在獲取門禁權限后刷卡能夠打開門鎖;而在取消門禁權限后再次刷卡，則無法打開門禁。對傳感器模塊進行測試，首先在水滴傳感器上人為加上水滴，水滴傳感器指示燈滅，去除水滴后指示燈亮;將火焰靠近火焰傳感器指示燈亮，說明能夠檢測出火焰;對于煙霧傳感器，制造煙霧置于煙霧傳感器表面，煙霧傳感器能夠輸出高電平驅動報警器報警。

圖7 ?門禁模塊實物圖

圖8 ?傳感器模塊實物圖

圖9為系統客戶端的監控界面圖。界面左邊顯示了溫濕度傳感器、煙霧傳感器、化驗傳感器、門磁信號的實時數據;右邊顯示系統的報警狀態，當傳感器數據超過一定的閾值時，會發出警報。

圖9 ?客戶端監測報警界面

3 ?結 ?語

本文基于單片機和無線網絡開發了實驗室安全管理系統，其以Tmega16單片機為主控平臺，通過RFID技術電控鎖、傳感器、設備控制系統實現對實驗室的安全管理;并將傳感器數據通過無線網絡傳送至系統后臺進行實時監控，大幅提高了實驗室的管理效率，降低了安全隱患。

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