基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統(tǒng)設計*

鄧 鵬

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北荊門 448000）

0 引言

隨著物聯(lián)網和智能控制技術的發(fā)展和人們對智能化管理的重視，基于物聯(lián)網和云平臺的智能化電子產品逐漸應用在我們的生活、工作和學習中。高校的實驗室是大學老師和學生進行科研和學習的重要場所，其重要性和安全性也倍受到社會關注。高校是實驗室相對集中的地方，實驗室數(shù)量大、儀器種類和數(shù)量繁多。隨著近幾年許多高校的發(fā)展和規(guī)模的擴大，實驗室數(shù)量和種類也在逐年增加，實驗室管理者工作量也逐漸增大，傳統(tǒng)的實驗室管理方法已無法滿足現(xiàn)有的實驗室安全管理要求，如何研究并設計一種網絡化智能實驗室安全管理系統(tǒng)非常有必要。為了保障實驗室安全運行，本文研制了基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統(tǒng)，能滿足現(xiàn)代實驗室安全管理的需求。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)采用模塊化設計方案[1-2]，系統(tǒng)硬件主要由STM32單片機最小控制系統(tǒng)模塊、火災檢測模塊、RFID射頻識別模塊、溫濕度檢測模塊、NB-IOT模塊等構成。軟件主要包括單片機控制程序、手機端App程序、云平臺配置程序等[3-4]?；谠破脚_的智能實驗室重大設備安全管理系統(tǒng)對實驗室的溫濕度、火災情況、人員進出情況等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，實驗室管理人員可以隨時通過手機App實時了解實驗室安全狀況，并及時做出處理。系統(tǒng)的總體方案框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體方案框圖

系統(tǒng)軟件部分采用Keil uVision5和Java eclipse進行編寫，App界面包括用戶注冊功能、采集數(shù)據(jù)實時顯示功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能等。數(shù)據(jù)信息發(fā)送過程為：

（1）傳感器采集實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，送到單片機；

（2）單片機將數(shù)據(jù)進行分類存儲，并送到NB-IOT模塊；

（3）NB-IOT模塊通過COAP協(xié)議和云平臺交互數(shù)據(jù)；

（4）云平臺實時刷新并轉發(fā)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路包括單片機最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊、RFID射頻模塊、蜂鳴器模塊及煙霧報警模塊。RFID電子標簽里記載著進出實驗室人員的相關信息，通過RFID射頻模塊識別來自射頻單元的信息并加以處理。RFID射頻模塊將進出實驗室人員信息發(fā)送至單片機[5-6]。傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)對實驗環(huán)境的檢查，判斷實驗室的環(huán)境指數(shù)是否正常，如果不正常時將進行報警，并反饋給實驗室管理員，以便實驗室管理員及時處理，這樣能極大程度地減少意外事件的發(fā)生，減少實驗室設備等財產的損失。實驗室的環(huán)境指數(shù)通過云平臺可以達到信息可視化且隨時可以查看實驗室的信息。

2.1 STM32單片機最小控制系統(tǒng)電路設計

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6C8T6單片機作為整個硬件電路的控制核心。該單片機片內資源豐富、存儲容量大、主頻高、價格便宜。STM32F103C8T6單片機開發(fā)方便簡單，內部集成有ADC、DAC、FLash存儲器等資源。最小系統(tǒng)電路采用8 MHz晶振提供主時鐘，32.768 kHz晶振提供實時時鐘。本設計中利用STM32F103C8T6單片機對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，將數(shù)據(jù)通過NB-IOT無線模塊發(fā)送到云平臺。

2.2 傳感器檢測電路設計

傳感器的功能主要是檢測實驗室環(huán)境參數(shù)，送入單片機處理后向平臺提供準確、實時信息，便于實驗室管理人員對實驗室情況做出準確判斷。本文中傳感器檢測電路包括溫濕度檢測電路和煙霧濃度檢測電路。采用DHT11數(shù)字傳感器檢測溫度和濕度，DHT11內部已校準，只有4個引腳，接線簡單，1號引腳接3.3 V，2號腳接單片機的I/O口PA3，3號腳懸空，4號腳接地。攝氏溫度測量范圍：0～50℃；攝氏溫度測量精度：±1～±2℃；相對濕度測量范圍：20%～90%RH；相對濕度測量精度：±2%～±5%RH，測量范圍和進度符合本設計的要求。DHT11輸出的是數(shù)字量，送到STM32F103C8T6后，需要經過變換，才能得到實際溫濕度值。

MQ-2傳感器是一種半導體可燃氣體敏感元件[7-8]。如果可燃氣體濃度增加，MQ-2的電導率也會增加，電路主要由MQ-2傳感器、信號前置放大電路、模數(shù)轉換電路構成?；馂臋z測電路輸出的是模擬量，接到單片機的PB0引腳，經過單片機ADC轉換可以得到氣體濃度值。本電路電源部分采用+5 V電壓供電。煙霧濃度檢測電路如圖2所示。

圖2 煙霧濃度檢測電路

2.3 RFID射頻識別電路設計

本設計中射頻識別芯片采用MFRC522，MFRC522是3.3 V電源供電的低功耗芯片，利用電磁感應識別信息，并進行數(shù)據(jù)通信，外圍電路簡單，體積小，性價比高，在本設計中的作用是檢測實驗室人員進出情況。MFRC522通過SPI串口和單片機連接，本設計中MFRC522的MISO、MOSI、SCK、SDA引腳分別接到單片機的PA4、PA5、PA6、PA7引腳相連。RFID檢測電路如圖3所示。

圖3 RFID檢測電路

2.4 NB-IOT模塊外圍電路設計

NB-IOT具有功耗低、應用范圍廣等特點。本設計中NB-IOT節(jié)點采用上海移遠公司的BC26模塊，BC26模上提供有UART、SPI等多種串行通信接口，支持TCP、COAP、MQTT等多種通信協(xié)議，能方便使用者二次開發(fā)，在上面實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。本設計中采用COAP通信協(xié)議方式傳輸數(shù)據(jù)，單片機采集數(shù)據(jù)，并進行處理后，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到BC26模塊。BC26模塊將數(shù)據(jù)傳送到華為OceanConnect物聯(lián)網云平臺[9-10]，接收到的數(shù)據(jù)經過分類存儲、管理后，用戶可以通過手機App查詢云平臺的數(shù)據(jù)信息。BC26模塊與STM32F103C8T6單片機通過UART串口連接，NB-IOT傳輸數(shù)據(jù)采用透明傳輸方式。BC26模塊接口電路如圖4所示。

圖4 BC26模塊接口電路

2.5 電源電路設計

為了保證系統(tǒng)在突然斷電情況下仍然能夠持續(xù)穩(wěn)定運行，本系統(tǒng)采用市電220 V供電和鋰電池供電兩套方案。主電源由一個220 V轉5 V的開關電源提供，開關電源輸出的+5 V電壓分成兩路，一路給單片機外圍接口電路供電，如給小型繼電器模塊、NB-IOT模塊供電，另一路采用LM1117-3.3芯片轉換為+3.3 V給單片機控制板供電。備用電源由一塊3.7 V鋰電池提供電能，包括升壓電路部分和穩(wěn)壓電路兩部分。鋰電池升壓電路采用TPS63020作為電壓控制芯片，TPS63020芯片輸入電壓為1.8～5.5 V，具有自動升降壓功能能，保證輸出電壓值穩(wěn)定。TPS63020電源電路最大輸出電流可以達到2 A，可以根據(jù)輸入自動升高電源或降低電壓，靜態(tài)電流小于50μA，電路具有體積小、供電穩(wěn)定等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件采用采用自頂向下的設計方式實現(xiàn)。軟件分為App界面設計部分和采集數(shù)據(jù)管理設計部分。App界面設計部分分為登錄部分和用戶注冊部分，采集數(shù)據(jù)管理部分包括實時數(shù)據(jù)查詢部分和歷史數(shù)據(jù)查詢部分。各數(shù)據(jù)采集節(jié)點的通信程序是本系統(tǒng)的軟件部分設計的核心內容，本設計的通信協(xié)議采用COAP。COAP是物聯(lián)網中常用的一種web協(xié)議，協(xié)議包長度最小長度只有4 Byte。COAP協(xié)議通過消息的方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。COAP協(xié)議支持可靠數(shù)據(jù)傳輸，通信雙方通過確認傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確，如果錯誤就重傳，采用這種方式來確保數(shù)據(jù)是否傳輸正確，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低，因此，COAP協(xié)議非常適合作為本系統(tǒng)的通信協(xié)議。

NB-IOT模塊上電后，STM32單片機通過串口發(fā)送命令的方式對NB-IOT模塊進行配置，發(fā)送“AT+NRB”指令讓NB-IOT模塊初始化；發(fā)送AT+CFUN指令判斷卡電路連接是否工作正常；發(fā)送“AT+CSQ”指令查詢NBIOT模塊信號的強度，執(zhí)行該指令后，NB-IOT模塊會返回一個表示信號強度的參數(shù)，如果參數(shù)值在0～31，表示有信號，數(shù)值越大，信號越強，如果返回值為99，表示無信號；發(fā)送“AT+CGATT”指令查詢是否附著基站。如果能達到這些要求，NB-IOT模塊開始進行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IOT模塊入網流程如圖5所示。

圖5 NB-IOT模塊入網流程

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計好后，需要進行一些測試，如硬件測試和軟件測試。打開裝置電源，先用串口助手進行調試，先將NB-IOT模塊的串口接到PC機的串口上，按接入網路的流程，向NB-IOT模塊發(fā)送指令。NB-IOT模塊入網成功后，在手機App上填寫連接地址、端口號、用戶名、密碼，然后登錄到App客戶端。在App上能實時顯示出實驗室環(huán)境參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，并可以通過App控制裝置上的繼電器，從而控制實驗室總電源開關切斷或接通電源。手機上顯示的傳感器檢測數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 手機上顯示的傳感器檢測數(shù)據(jù)

5 結束語

本文設計的基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統(tǒng)具有功耗低、實時性好、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點，適用于無人值守的實驗室管理和遠程管理，有效保障實驗室安全運行。利用NB-IOT模塊將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_及手機客戶端，使實驗室管理人員能及時了解實驗室環(huán)境情況并進行處理。同時，本設計項目也能用于高校物聯(lián)網相關專業(yè)的實驗實訓教學中，本設計中采用的STM32單片機與傳感器模塊、NB-IOT模塊結合構成一個實用的控制系統(tǒng)，學生通過學習，能讓他們掌握相關專業(yè)知識的具體應用，提高工程應用能力。