基于云平臺的智能實驗室遠程監控系統

李得至　鄧鵬　唐文濤　鮑明祿　張正義

摘要：針對實驗室管理中存在的安全問題，提出并設計了一種基于云平臺的智能實驗室遠程監控系統。利用FRID技術對進出人員信息進行記錄。在實驗室內安裝溫度傳感器和濕度傳感器，把實驗室內的環境數據上傳至云平臺，當溫度傳感器和濕度傳感器檢測到實驗室環境參數異常時，云平臺將實驗室的數據信息及時反饋到當時正在值班的管理員的移動電話端上，提示實驗室可能存安全隱患。煙霧傳感器可以檢測實驗室的煙霧濃度和可燃氣體。實驗表明，系統可以在不同環境下正常工作，且運行可靠，反饋給云平臺的數據和檢測到的實驗室環境參數準確，有助于提高實驗室安全性。

關鍵詞：云平臺;遠程監控;STM32單片機;檢測電路

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

文章編號：1009—9492f2021103—0132—03

0引言

為了能更高效地進行實驗室管理，減輕實驗室工作人員的負擔，提高實驗室環境的安全指標和節約人力成本，本文設計并制作了一套基于云平臺的智能實驗室遠程監控系統。該系統結合單片機技術、傳感器技術、云平臺技術、RFID射頻識別等相關技術，可以快速識別出進入人員的身份，并記錄在單片機中，通過RC522刷卡系統檢測進入實驗室人員的身份。實驗室的實驗設備和實驗試劑很容易受到溫度和濕度的影響，比如電子儀器在過于潮濕的環境下可能會導致實驗室設備線路短接的問題;一些化學試劑在潮濕的環境下很容易受潮而導致不能使用。為了盡量避免這些影響，該系統設計了溫度和濕度傳感器，此外還設計了煙霧報警系統，可對實驗室的煙霧濃度和可燃氣體進行檢測，當檢測到實驗室的環境不正常時就會通過報警系統進行報警。檢測電路用來檢測實驗室中的溫度、濕度、煙霧濃度和可燃氣體等環境參數，并通過云平臺把這些參數反饋給實驗室管理者。設備耗電量較小，整個系統占用的空間相對較小。系統連接好電源后，基本就不需要人工操作。該系統可以代替人工全天候檢測和監視實驗室的環境參數，并且可以通過移動電話軟件來控制主控板上的指示燈，以達到遠程操作的目的。

1總體設計方案

基于云平臺的智能實驗室遠程監控系統主要是對實驗室溫度、濕度、是否存在可燃氣體、人員相關信息、人員使用實驗設備情況和所使用的實驗設備進行監控。控制系統可以對實驗室可能存在的安全隱患進行報警，防止意外發生，并對某些突發情況通過傳感器和報警系統迅速地把數據傳到云平臺上。主模塊包括STM32控制模塊和BC26通信模塊，這兩個模塊將數據傳至云平臺，然后通過云平臺將實驗室的相關數據反饋到移動電話APP上或者云平臺上。子模塊包括MFRC522模塊、LCD1602顯示模塊、煙霧報警模塊、溫濕熱檢測模塊等，主要功能是將實驗室的數據實時顯示在液晶顯示屏上。總體方案如圖1所示。

2系統硬件電路設計

2.1單片機核心控制板

本系統數據采集部分以STM32F103作為核心，包括了STM32F103單片機最小系統、液晶顯示模塊、RFID射頻模塊、蜂鳴器模塊、煙霧報警模塊。RFID電子標簽里記載著用戶的相關信息，通過RFID射頻模塊識別來自射頻單元的信息并加以處理，并判斷此信息是否符合要求，通過液晶顯示屏顯示是否通過檢測。傳感器系統實現對實驗環境的檢測，判斷實驗室的環境指數是否正常，如果不正常將進行報警，并反饋給管理員，從而控制意外事件的發生，減少實驗室設備的損失。實驗室的環境指數通過云平臺可以實現信息可視化，且隨時可以查看實驗室的信息。

2.2人員進出實驗室檢測電路

本系統中檢測人員進出的情況采用MFRC522模塊和RFID技術。RFID是一款非接觸式的自動識別技術，通過對應的射頻信號對目標進行識別，識別工作時無需人工干預和其他操作。可以在各種惡劣環境下工作，體積小，占用空間不大。RFID技術可識別高速移動的物體，且可以同時識別多個進入電磁場范圍內的標簽，這樣極大地提高了工作效率。基本工作原理是采用電磁耦合的方式使得標簽從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得能量，從而達到與讀寫器進行數據交換的目的。RC522端口有SDA（數據接口）、SCK（時鐘接口）、MO-SI（SPI接口主出從入）、MISO（SPI接口主人從出）、NC（懸空）、GND（地）和RST（復位信號），3.3V（電源）通過串口實現與單片機之間的數據傳輸。對于讀卡器模塊，當標簽靠近讀卡器的電磁場范圍以內時，標簽天線就會產生感應電壓，其電容開始儲存電能，當積累到一定的能量時標簽就可以工作了。通過單片機把標簽中的相關信息寫錄到程序中，當讀卡器識別和讀取到標簽信息時，信息就會通過LCD1602液晶顯示屏顯示出來。通過RFID和天線來讀取卡內的信息的方式，判斷該信息是否符合要求，然后利用蜂鳴器來提示操作是否成功。人員進出實驗室檢測電路如圖2所示。

2.3 NB-IoT電路

本設計中NB-IoT模塊采用BC26芯片，BC26是高性能、低功耗、且支持多個單頻段和多頻段的NB-IoT無線通信模塊。可以支持多個通訊協議，例如MQTT、IPv4。BC26與移遠通信GSM/GPRS M26模塊相兼容。BC26還支持低供電電壓范圍（2.1～3.63V），更適合NB-IoT技術的應用場景。在設計方面，BC26采用LCC封裝，兼容移遠通信GSM/GPRS系列的M26模組，方便現有的2G客戶快速、靈活地切換至NB-IoT網絡。BC26提供豐富的外部接口。

2.4溫濕度檢測電路

本系統采用DHT11模塊檢測實驗室的溫濕度。DHT11傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫、濕度復合傳感器，擁有專用的數字采集模塊和溫濕度傳感技術，DHT11模塊采用4針單排分別是VDD、DATA、NC、GND。DHT11是一款單總線的溫度傳感器，供電范圍為3.3～5V，濕度測量范圍20%～90%相對濕度，溫度范圍0～50℃，具有采集數據準確、分辨率高等特點。溫、濕度傳感器通過DATA端口輸出8位濕度整數數據和8位濕度小數數據，8位溫度整數數據和8位溫度小數數據和主機進行數據傳輸。在VDD和GND之間增加一個電容用于去耦和濾波，使得到的數據更加準確。

2.5火災報警電路

實驗室的火災報警采用MQ-2煙霧傳感器。工作原理就是其表面離子式N型半導體，200～300℃時，SnO會吸附空氣中的O，形成O的負離子吸附，使電子密度減少，電阻值增加。當MQ-2傳感器與煙霧接觸時，晶粒間界處的勢壘受到煙霧的調制而變化，就會引起表面導電率的變化。煙霧報警模塊最主要的芯片是LM393和ZYMQ-2氣體傳感器。工作電壓為5V，MQ-2模塊采用4針單排引腳封裝，接線簡單、精度高、易操作等特點，4個輸出端口分別是VCC、GND、DO、AO。模塊可通過DO端口和AO端口將數字量和模擬量發送到單片機中，然后再通過液晶顯示屏顯示出來。比較器的輸出端口接數字輸出端，為了判斷是否檢測到了煙霧，在比較器的輸出端口接一個LED指示燈，當輸出端口為低電平的時候LED燈點亮，說明實驗室的煙霧濃度超出了安全值;當輸出端口為高電平的時候LED燈滅，說明實驗室的煙霧濃度正常。

本設計利用該特點獲得煙霧信息，通過比較器電路，把輸出煙霧值的直流信號，加到比較器上，形成門檻電壓。煙霧的濃度大于門檻電壓時，比較器會輸出低電平，則火災報警系統進行報警。煙霧的濃度小于門檻電壓則輸出高電平，表明實驗室的煙霧濃度正常，則火災報警系統不報警。同時也在比較器的輸出端口連接一個濾波電容，用于過濾掉干擾信號。比較器的輸入端口連接一個電位器，可達到調節MQ-2模塊預值的作用。模擬輸出端口直接和QM-N10傳感器的輸出端口相連接，模擬電壓在0.1～0.3V之間實驗室的煙霧濃度相對正常。

3系統軟件設計

本系統程序采用模塊化結構，由STM32F103單片機作為主控單元，通過溫濕傳感器和煙霧報警器反饋的值，判斷實驗室內是否存在可燃氣體，以及溫度、濕度和煙霧濃度是否在安全范圍內，以此為標準來判斷實驗室的環境是否安全，在單片機檢測出問題后及時向正在值班的管理人員發出警告，并提示正在實驗室里的人員。在進入實驗室時通過刷卡的形式進入，通過FRID電路不斷查詢是否有進出人員。相關數據會上傳到云平臺，并在下位機的LCD1602液晶顯示屏上顯示出來，由程序來判別人員是否有進入實驗室的權限。系統總體軟件流程如圖3所示。

4系統測試

系統設計完成后，在各種環境下對系統進行測試，為了方便觀察實驗現象，將溫度上限調到23℃，濕度調到了90RH，并將數據記錄下來，數據測試結果如表1所示。通過對測試實驗數據進行分析可知，這套設備對實驗室的檢測效果良好，不論是實驗室的溫度出現異常還是濕度出現異常，或是煙霧報警器出現異常，蜂鳴器都會第一時間進行報警，提醒實驗室管理人員。

5結束語

本文所設計的系統可以根據不同地域、不同環境來設置檢測系統的上限報警參數和下限報警參數，使得該設備更加實用，運用范圍更廣。實驗室中的傳感系統，對實驗室的溫度和濕度采集準確，誤差范圍在±5%之內，可以很好地滿足需求。檢測人員進出模塊可以更加快捷、準確地識別出進出人員的信息，并且記錄下相關信息，方便以后查找，提高實驗室的安全指數，預防意外的發生。該系統結合了單片機技術、傳感器技術、RFID射頻識別技術等一系列的相關技術，為實驗室的管理提供了一種簡單、高效、智能的方式。其還可以廣泛使用在日常生活、工業生產、農業生產等多個領域，當運用到不同領域時，只需要改變程序中的溫度、濕度和煙霧濃度的上限報警參數即可以投入到實際應用中。