基于STM32的學校實驗室環境安全監測系統設計

朱婧瑋

（蘭州現代職業學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

2023 年2 月，教育部辦公廳印發《高等學校實驗室安全規范》，提出“高校實驗室建設和使用應認真貫徹落實國家各項安全相關法律法規，保障實驗活動安全有序進行”，并指出學校應加強實驗室安全建設與管理，加強安全物資保障，配備必要的安全防護設施和器材，建立能夠保障實驗人員安全與健康的工作環境［1］。基于此，本研究設計出對學校實驗室環境進行安全監測的系統，為校園實驗室安全管理提供幫助。

1 系統總體設計

學校實驗室環境安全監測系統以STM32F103C 8T6 為主控芯片，基于物聯網技術對學校實驗室環境進行安全監測，包括對室內的環境溫濕度、可燃氣體、一氧化碳、人員數量進行檢測，通過門禁對進出實驗室人員的身份進行核驗，攝像頭可提供全方位、可視化的實時監控，同時根據現場采集到的環境數據，適時啟動排風、空調裝置。當檢測到的數據超限時，系統會進行報警。所有檢測數據可通過WiFi 模塊上傳到系統上位機，在控制室Web 端頁面顯示現場數據，遠程查看現場視頻，檢測超限報警提示，并存儲歷史數據［2-4］。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

2 系統硬件設計

2.1 主控電路

系統主控制電路選用的是STM32F103C8T6 芯片，其具有32位ARM Cortex-M內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，并提供豐富的I∕O 端口、通信接口和外設配置，能快速響應，且功耗低。

2.2 電源電路

電源模塊的電路輸入電壓為AC 220 V，根據系統供電需求，電源電路輸出電壓為DC 12 V、5 V、3.3 V，線性電源的穩定性高，輸出紋波小，為系統主控電路、測量電路等供電。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路示意

2.3 溫濕度檢測電路

該系統采用DHT11 數字溫度傳感器對溫度進行檢測。芯片2 腳與STM32 的PA11 端口進行連接，實現數據的串行傳輸。溫濕度檢測電路如圖3所示。

圖3 溫濕度檢測電路示意

2.4 可燃氣體檢測電路

采用MQ-2 氣體傳感器檢測可燃氣體，可檢測液化氣、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等氣體，其由加熱電阻和感應電阻組成，檢測電路如圖4所示。

圖4 可燃氣體檢測電路示意

2.5 一氧化碳檢測電路

選用MQ-7 氣體傳感器檢測一氧化碳，該傳感器以二氧化錫（SnO2）為氣敏材料。電路如圖5所示。

圖5 一氧化碳檢測電路示意

2.6 人數檢測電路

使用光電傳感器電路檢測人數。光電傳感器電路由4 個DY-ITR8402 紅外對射式光電傳感器及周邊電路組成，如圖6所示。

圖6 室內人數檢測電路示意

2.7 無線模塊

采用ESP8266 無線傳輸模塊進行無線傳輸。該系統選用STA 模式，通過路由器連接互聯網，從而實現對設備的遠程控制。系統將ESP8266 接入物聯網云平臺OneNet 中，實現傳感器數據的接入、存儲和展現。

2.8 攝像頭模塊

選用具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，將其安裝在實驗室內墻中線位置高處，便于觀察室內情況。采用720P∕160°廣角攝像頭，通過串口通信方式與主控電路連接。

2.9 門禁電路

選用南京納奇NQ-05刷卡密碼門禁系統，可實現對進入實驗室人員的精準管控。

2.10 顯示電路

選用淘晶馳串口HMI屏作為系統的顯示電路，用于在室內顯示實驗室環境溫濕度、當前人數、可燃氣體檢測值、一氧化碳檢測值等信息。

2.11 報警電路

選用SYN6288 語音模塊，通過PA2、PA3 端口來傳送數據，置高電平時啟動報警電路，語音報警。

2.12 排風和空調電路

排風電路和空調電路為系統現場執行機構。當實驗室內人員較多，導致室內空氣混濁、溫濕度超限或檢測到可燃氣體、一氧化碳氣體時，系統會自動打開排風電機和空調系統，進行通風換氣，并調節室溫。排風電路、空調電路如圖7所示。

圖7 排風電路、空調電路示意

3 系統軟件設計

系統軟件是基于ARM 嵌入式系統進行開發的，傳感器用于采集現場環境數據，將溫濕度檢測數據通過單總線上傳至主控芯片、可燃氣體檢測和一氧化碳檢測數據直接輸送到主控芯片的ADC 端口，主控芯片對數據進行分析、計算和處理，通過液晶屏來顯示環境檢測數據，并驅動輸出外設，同時用WiFi 模塊將數據發送到上位機。在Keil5.0 環境中，按照系統功能對程序進行分模塊設計，用C 語言來完成系統軟件設計［5］。

4 系統上位機開發

4.1 開發環境

在QT5 軟件中完成對系統上位機登錄界面和主控顯示界面的制作。將STM32 數據采集板的數據通過WiFi 上傳至系統上位機，上位機采用SQL LITE 數據庫來存儲數據信息。上位機每1 min 更新一次數據，從而實現對實驗室環境數據的實時顯示、歷史數據查看。

4.2 Web端設計

系統Web 端是在MVC 框架中采用QT、C++語言編寫的。QT 登錄注冊模塊可實現用戶注冊和不同用戶的登錄操作，User_info 表結構見表1。系統使用人員在按照分配的賬號、密碼進行系統登錄后，可進入系統監控界面。

表1 User_info表結構

QT 傳感器數據顯示模塊可實現系統登錄人員對傳感器數據的實時監測、歷史數據查看，并顯示當前日期、時間、實驗室編號。SenSor_Num 表結構見表2。

表2 SenSor_Num表結構

用戶在成功登錄Web頁面后，可查看各項檢測數據，通過攝像頭可實時監控畫面，數據每1 min更新一次。當檢測到的數據超限時，將會報警提示。同時，會將這些數據存入數據庫，方便用戶隨時調取、查看歷史數據。

5 結語

本研究設計了基于STM32 的實驗室安全監測系統。該系統通過DHT11 溫濕度傳感器、MQ-2 可燃氣體傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、人數檢測電路來采集現場環境數據，通過WiFi 模塊向上位機傳輸數據，利用QT5 來實現用戶在客戶端注冊登錄，用戶可查看顯示界面實時數據和歷史數據。經現場測試，該系統能實現上述功能，從而有效提高學校實驗室安全管控效率。