基于扁平化指揮的智能實驗室安全監控系統設計

陳吉

摘? 要： 傳統的安全監控系統在對實驗室安全進行監控時，響應時間長、安全性差。為了解決上述問題，基于扁平化指揮設計了一種新的智能實驗室安全監控系統。利用采集模塊、控制模塊、GPRS無線模塊以及電源模塊設計了系統的硬件結構，在采集模塊中加入門磁開關、溫度傳感器和煙霧傳感器，選用AT89S52芯片作為GPRS無線模塊中的內部芯片，在電源模塊中增設了PCB板。軟件程序主要設計了驅動程序和視頻監控程序，利用上電復位、數據測試、數據處理和數據顯示完成驅動工作，通過調節IP地址端口設定視頻監控程序。為檢測系統性能，與傳統監控系統進行實驗對比，結果表明，基于扁平化指揮設計的智能實驗室安全監控系統響應時間很短、安全性能高，更適合實驗室監控工作。

關鍵詞： 扁平化指揮; 智能實驗室安全監控系統; 門磁傳感器; 實時信息采集; GPRS無線模塊; 報警設備

中圖分類號： TN948.64?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0170?05

Design of intelligent laboratory safety monitoring system based on flatting command

CHEN Ji

（East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract： The traditional security monitoring system is of long response time and poor security when monitoring the security of the laboratory. In order to solve the above problems， a new intelligent laboratory security monitoring system is designed based on the flatting command. The hardware structure of the system is designed by the acquisition module， the control module， the GPRS wireless module and the power module. The gate magnetic switch， temperature sensor and smoke sensor are added to the acquisition module. The AT89S52 chip is taken as the internal chip of the GPRS wireless module. The PCB board is added to the power module. The software program is mainly composed of the driving and video monitoring programs. The driving work is completed by power?on reset， data test， data processing and data display and the video monitor program is set by adjusting the IP address port. In order to test the performance of the system， the contrast experiment between the proposed system and the traditional monitoring system was performed. The results show that the intelligent laboratory safety monitoring system based on the flatting command design is of short response time and high safety performance， which is more suitable for laboratory monitoring.

Keywords： flatting command; intelligent laboratory security monitoring system; gate magnetic sensor; real?time information acquisition; GPRS wireless module; warning equipment

0? 引? 言

安全監控系統最初被用來監控大型儀器工作狀態，系統與一體化面板連接，遇到突發狀況后，一體化面板會直接操作[1]。近年來，隨著監控一體化技術的發展，各種類型的監控手段不斷被提出，安全監控也在傳統的一體化技術上加入了通信技術，利用計算機控制系統同時監控設備和環境，具有實時性[2]。目前，很多學校的實驗室里都配備了安全監控系統，記錄實驗室設備的狀態參數，以及所處環境的溫度參數，再借助計算機中心系統進行管理操作[3]。

傳統的安全監控系統雖然具備一定的監控能力，但是層級過多，監控結果要經過一段時間才能傳給中心系統，中心系統從多個指揮點下發命令，系統在同一時間內難以執行。傳統的監控系統得到的內容多是數據內容，以表格或者圖像的方式傳遞給工作人員，缺少直觀性，很多關鍵信息難以在第一時間被工作人員查詢到[4]。

綜上所述，本文引入扁平化指揮體系設計實驗室安全監控系統，使監控系統的層級大大減少，指揮中心可以直接指揮監控系統，并快速反映出監控結果。利用扁平化體系設計的智能實驗室安全監控系統對于環境有著很強的適應能力，實時性高、可靠性強、測量范圍廣，通過視頻監控的方式記錄監控內容，使監控效果更加清晰，工作人員可以更加直觀地了解到需要了解的內容，查詢到實驗室內部的整體環境，以便于下發管理策略。

1? 智能實驗室安全監控系統硬件設計

為簡化監控系統操作過程，避免環節過多而導致的信息外泄，本文基于扁平化指揮設計的智能實驗室安全監控系統硬件共分為三個模塊，分別為：信息采集模塊、通信模塊和主控模塊，每個模塊選用不同的芯片，利用不同的電路連接。

設計的智能實驗室安全監控系統硬件結構如圖1所示。

觀察圖1可知，基于扁平化智慧設計的實驗室安全監控系統的數據采集終端共有4個：傳感器模塊、控制器模塊、GPRS無線模塊以及電源模塊。分模塊的設計方案使系統在監控時更加有針對性，延展能力和擴展能力更強。

傳感器探測的實驗室參數主要有3個：門磁開關、實驗室溫度、是否存在煙霧[5]。利用GPRS無線傳輸模塊傳輸傳感器采集到的各種信息，再通過單片機控制監控系統。系統采用統一的電源提供電量，電壓為12 V，電量在傳輸到各個芯片之前會經過電壓轉換，防止電壓過高，損傷芯片[6]。

1.1? 信息采集模塊設計

本文設計的智能實驗室安全監控系統內部擁有多個傳感器，能夠很好地采集信號，具備實時性。本文僅針對門磁傳感器和溫度傳感器做詳細研究。

門磁開關傳感器負責報警系統，當實驗室不使用時，該傳感器就會啟動工作，實時探測是否有外界人員入侵，一旦發現存在外界人員入侵，傳感器會立刻發出警報聲，并通過短信與實驗室的管理員聯系[7]。

門磁傳感器內部結構如圖2所示。

觀察圖2可知，由于本文設計的安全監控系統占地面積很小，所以門磁開關傳感器外形尺寸[8]也對應減小，為70 mm×35 mm×11 mm。傳感器能夠發射30 mW的功率，在工作時需要的電流為10 mA，需要的電壓為12 V，內部選用的電池為A23，該電池為報警專用電池，工作頻率為315 MHz，門磁開關內部同時擁有編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272。

在設計出門磁傳感器后，設計溫度傳感器，通過溫度傳感器分析環境問題，如果實驗室出現火災，溫度傳感器也能夠起到報警作用。選用的溫感器件為AD590，不僅能夠測量攝氏溫度，同時，能夠測量熱力學溫度。AD590體積很小，線性度好，測量時工作狀態穩定，測量范圍為-50～150 ℃，測量誤差[9]僅為0.2 ℃。經過AD590傳感器的電壓要控制在4～30 V之間，允許的電壓變化范圍為4～6 V，AD590能夠承受的正向電壓為44 V，負向電壓為20 V，即使器件被反接，也不會損壞。測量檔位共有5擋，記錄成A，B，C，D，E，精確度極高。

測溫電路如圖3所示。

觀察圖3可知，測溫電路的主要功能是將得到的電流參數轉換成電壓參數。其中，AD590作為電流輸出元件，溫度升高1 K，電流就會增加1 μA。測溫電路中加入了3個放大器，每經過一次放大，就會得到一個新的電壓值，通過LED顯示溫度變化結果[10]。

1.2? GPRS模塊設計

本文選用的微處理器為MCS?51，該處理器成本低，性能好，操作靈活，能夠使系統硬件更加穩定可靠。MCS?51微處理器內部選用的芯片為AT89S52芯片，該芯片為Atmel公司生產，選用的技術為高密度存儲技術，能夠與單片機很好兼容。擦寫周期高達1 000次，加密程序分為3級，系統硬件的操作方式為靜態操作，工作頻率為0～33 Hz，芯片內部擁有14個可編程的I/O口線，2個串行通道，3個定時器和5個18位計時器，同時加入2個數據指針，提高精度。當芯片不工作時，會自動進入低功耗的休眠模式，休眠模式提供的電流[11]為2.5 mA。

GPRS模塊結構如圖4所示。

觀察圖4可知，設計的GPRS模塊采用的結構為哈佛結構，在存儲程序和數據時彼此分開，存儲的數據量最高可達到64 KB，每個字節都有對應的地址。尋址方式為先外部后內部。存儲模塊內部鍵入晶體振蕩器，作為時鐘電路核心部件，能夠為單片機提供必要的時序控制[12]。

1.3? 電源模塊設計

由于電路在設計時會產生阻抗，使線路中電壓不穩定，所以本文在設計電源模塊時，線路盡量加寬，使電壓更加穩定。

本文設計的電源電路圖如圖5所示。

由于電路在輸入時還會存在靜電和脈沖，因此，輸入的電路要具備抗浪涌、抗脈沖差模干擾的能力。模塊在發射時，設定峰值功率為7～8 W，設定峰值電流為2 A。在設計電源電路時，要特別考慮電源功率，同時，串入感性器件，使電源電路的抗干擾能力更強。但電源內部的電池與系統的模塊不能串聯其他器件，防止其他器件影響電池[13]。在電路的客戶端口加入PCB板，因此，電路的電源線要走最外層，便于PCB板散熱。

圖5中的電源電路還加入了TVS管，提高系統對靜電的抑制能力，并加快響應速度，使系統電源電路的響應速度達到ns級。系統開啟電壓不同，選擇的TVS管也不同，通常TVS管不能超過電源電壓1～2 V，如果超過這一值，TVS管的抑制效果會大大降低。

2? 智能實驗室安全監控系統軟件設計

基于扁平化指揮設計的智能實驗室安全監控系統能夠直接對數據進行監控，有效提高監控過程的穩定性以及監控結果的可靠性。為使系統更加完善，本文根據設計的硬件結構對軟件模塊進行設計，主要設計了驅動模塊和視頻監控模塊。

2.1? 驅動程序設計

驅動模塊主要負責兩方面工作：控制監控系統電源;在數據進行交換時，起到保護作用。

為了確保驅動模塊能夠始終處于工作狀態，本文設計了兩種啟動模式：第一種啟動模式為按鍵啟動;第二種啟動模式為時鐘啟動。通常情況下會選擇第一種模式，但是如果第一種啟動模式難以啟動軟件程序，則要選擇第二種模式。

驅動模塊程序工作流程如圖6所示。

觀察圖6可知，系統在經過上電復位之后，會同時進行兩個步驟，分別是系統初始化和軟件復位處理，在測試系統工作正常后，驅動程序的鍵盤才能顯示中斷。鍵盤中斷之后，判斷系統數據是否符合標準，如果監控的數據不符合標準，報警設備則會發出警報聲，提醒工作人員;如果監控到的數據符合標準，則監控系統會自動對數據進行處理，并且將處理的結果顯示在LED屏上。

2.2? 視頻監控程序設計

相較于傳統的監控系統，本文在軟件程序中加入了視頻監控程序，通過視頻監控來保障監控結果的精準性。每個視頻客戶端都會設定相應的IP地址和端口地址，方便工作人員查找，同時，在程序內部加入GSM調試助手，進行必要的調解工作。需要特別指出的是，端口號和客戶端必須要保持一致。監控程序界面如圖7所示。

3? 驗證實驗

3.1? 實驗目的

為了檢測本文基于扁平化指揮的智能實驗室安全監控系統的實際效果，與傳統監控系統進行了對比，分析實驗結果。

3.2? 實驗參數設置

設置實驗參數如表1所示。

3.3? 實驗結果與分析

根據上述參數進行實驗，選用本文研究的基于扁平化指揮的智能實驗室安全監控系統和傳統監控系統，同時對同一個實驗室進行安全監控，記錄溫度異常檢測響應時間、煙霧異常檢測響應時間，根據得到的結果對兩種系統的性能進行具體分析。

得到的實驗結果如圖8，圖9所示。觀察圖8可知，隨著實驗室異常溫度的增加，傳統監控系統和本文研究的監控系統響應時間都會有所減少，但是傳統系統的響應時間始終多于本文研究的系統。當異常溫度為0.1 ℃時，傳統監控系統需要0.9 ms能夠檢測到，本文系統需要0.8 ms能夠檢測到，這種差距到了后期愈加明顯;當異常溫度達到0.9 ℃時，傳統監控系統需要花費0.5 ms才能檢測到，而本文系統僅花費0.05 ms就可以檢測到監控結果，大大提高了系統的安全性。

觀察圖9可知：當煙霧異常濃度為1%LEL時，傳統監控系統的響應時間為0.9 ms，本文系統的響應時間為0.4 ms;當煙霧異常濃度為3%LEL時，傳統監控系統的響應時間為0.45 ms，本文系統的響應時間為0.13 ms;當煙霧異常濃度為5%LEL時，傳統監控系統的響應時間為0.2 ms，本文系統的響應時間為0.03 ms。由此可見，本文研究的系統響應時間很短，實驗室一旦出現安全隱患，該系統能夠立即監控出來，并且發出警報聲，提醒工作人員第一時間采取解決辦法。

3.4? 實驗結論

根據上述實驗結果得到如下實驗結論：相較于傳統安全監控系統，本文研究的基于扁平化指揮體系的智能實驗室安全監控系統同時具備信息采集功能、信息處理功能、監督功能、管理功能和控制功能。能夠對監控過程產生的各種實時信息進行采集，通過預處理以新的采樣形式輸出，確保工作人員通過監控系統得到的數據都是準確的數據，監控系統能夠自動分離、分析、歸納得到的數據，篩選掉無用數據，存儲有用數據。本文研究的系統還增設了報警設備，一旦監控到異常現象，系統就會自動發出警報聲，提醒工作人員迅速采取措施解決異常。對于常規操作，本文設定的系統具備控制能力，可在允許的范圍內對各項設備參數進行調解。

4? 結? 語

本文利用的主要體系為扁平化指揮體系，在安全監控系統終端加入了傳感器技術，針對實驗室設計了有效的監控方案。通過引入現代化的通信方式提高監控技術的智能性，加入單片機AT89S52和GPRS模塊對硬件進行開發，根據得到的硬件系統開發各項軟件模塊。

該系統在實驗室安全監控領域有著很強的優勢，但是也具備一定的局限性：選用的單片機為8位單片機，作為監控終端處理能力有限;網絡傳輸速率與理論值存在一定差異;加入TCP協議后，監控的數據量增多;缺少有效的數據庫。未來在設計和研究時，應該根據實際需求對上述幾個問題進行修正處理。

參考文獻

[1] 劉文藝，劉立群，單夢晨，等.基于無線傳感器網絡的實驗室智能監控系統設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：259?262.

[2] 白杰，孟令軍，張慧慧.基于ARM的實驗室智能無線監控系統設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（2）：121?124.

[3] 崔吉，張燕超，趙軍.基于單片機實驗室智能監控系統的設計[J].微型機與應用，2016，35（8）：86?88.

[4] 郭冰陶，劉珊，劉強，等.基于多傳感器數據融合的智能火災監控系統設計[J].自動化與儀表，2016，31（2）：29?32.

[5] 吐爾遜江·亞森，常青，梅順良，等.基于GPRS的智能車輛監控系統的設計與實現[J].電訊技術，2017，45（5）：114?117.

[6] 劉陽陽，申鉉京，王一棋，等.基于ARM的智能監控系統的設計與實現[J].吉林大學學報（信息科學版），2017，29（2）：158?163.

[7] 吳大中，宋俊飛.實驗室智能監控系統設計[J].電子技術應用，2017，40（3）：120?122.

[8] 王惠中，宿忠娥.基于BACnet的智能小區監控系統的設計[J].電子測量技術，2009，32（11）：4?7.

[9] 匡海健，胥布工，李偉勝，等.基于Web的智能建筑節能監控系統的設計[J].計算機應用，2017，37（z1）：344?346.

[10] 楊金玲，柴穎，狄紅衛.基于DM6446的智能視頻監控系統的設計[J].電子測量技術，2010，33（3）：113?116.

[11] 王偉星，楊海健，古軍.基于PLC與iFIX的實驗室負載電源監控系統的設計[J].工業控制計算機，2017，24（7）：20?21.

[12] 王穎濤，李增峰，劉穎君.基于WSN的實驗室環境遠程智能監控系統[J].機械工程師，2016，22（2）：34?36.

[13] 李小紅，呂向風，任明明.基于Android平臺的實驗室監控系統設計與實現[J].現代經濟信息，2017，11（16）：315?316.

[14] 王旭波，李廣紅.煤礦井下供電安全監控系統的設計及應用[J].電子設計工程，2014，22（14）：81?83.