高校化學實驗室危化品管理系統設計與實現

摘 要：傳統的高校化學實驗室危化品管理方法存在諸多漏洞，如危化品庫存及領用量統計不準確、操作人員管理不規范等。為解決上述問題，基于物聯網技術搭建了高校化學實驗室危化品管理系統，分別設計了云管理平臺和智能管理終端，利用信息技術實現危化品和人員的規范化管理。該系統云端主要實現數據存儲與管理，智能管理終端以STM32芯片為硬件核心，整合了人臉識別、4G通信、二維碼模塊、電子天平、觸摸屏等模塊，分別利用人臉識別模塊實現操作人員的規范化管理，利用二維碼模塊實現危化品的識別，利用電子天平實現危化品的準確稱重，利用4G通信模塊實現智能管理終端與云平臺的數據交互。經應用驗證，該系統操作邏輯簡單、人機交互界面清晰、數據傳輸穩定，具有較好的推廣應用前景。

關鍵詞：危化品管理；STM32；人臉識別；4G通信；云平臺；電子天平

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-04

0 引 言

危化品即危險化學品，是指具有有毒、易腐蝕、易爆炸、易燃燒、助燃等性質，且對人體、設施和環境具有危害的劇毒化學品和其他化學品[1]。近年來，因高校實驗室危化品管理不當引發的安全事故頻發，在社會上造成了非常惡劣的影響。傳統危化品的管理模式存在諸多問題，如：危化品臺賬不清，流程制度不完善；缺乏監測、監控設備；檢查、監管不到位；過期試劑處理不規范等[2]。

鑒于危化品的管理已成為高校實驗室管理領域的重中之重，探索危化品管理新模式，加強管理平臺信息化建設[3]刻不容緩，此舉對維護和諧平安校園具有重大的社會意義和現實意義。

1 系統整體框架

本系統按照功能劃分為高校危化品云管理平臺和智能管理終端兩部分，首先將危化品的采購信息和用戶數據導入云平臺，再通過云平臺與智能管理終端連接。系統整體框架如圖1所示。

智能管理終端通過網絡與云平臺通信，用戶可以在云平臺查看危化品的信息，大大提高了數據的透明度，當監測到危化品臨近到期、達到設定的危化品庫存量上限或下限時，系統自動發出到期警報[3-4]。通過智能化管理，杜絕了傳統管理方式信息不準確的問題。

智能管理終端對普通試劑和危化品分別建立管理入口，加強危化品的分類存放和管理。身份識別模塊主要用于對操作人員和取用人的規范管理，尤其在取用危化品時需要通過雙重身份認證。通過數據采集模塊實時檢測實際存放環境，同時精準記錄數據，以確保危化品存放環境的安全[5-7]。

2 硬件設計

硬件系統控制芯片采用STM32F407VET6，該芯片是由STMicroelectronics公司出品的擁有32位ARM Cortex-M4內核的微控制器芯片，最大主頻為168 MHz，運行RAM為192 KB，能夠滿足本系統的需求[8]。

智能管理終端由6部分組成，分別是4G模塊、人臉識別模塊、電子天平、溫濕度采集模塊、觸摸屏、二維碼掃描模塊。硬件總體構成如圖2所示。

2.1 4G模塊電路設計

因系統對通信速率要求不高，使用CAT.1模組即可滿足要求，因此選用有人物聯公司出品的WH-G401TF模組。該模組使用3.8 V電壓供電，可利用UART串口通信，支持TCP、UDP、HTTP、DNS、MQTT網絡協議[9]。同時該款芯片支持GPS、北斗定位，其已被廣泛應用于物聯網網絡通信設備中。因該模組內部使用1.8 V邏輯電平，因此需要使用圖3所示的電平轉換電路將電壓轉換為1.8 V。

在用戶通過相關設備領用危化品后，設備將返回領取時間、危化品信息和地理位置等信息，并通過該模塊可以獲得實時的經緯度。

2.2 電子天平設計

系統通過HX711模塊與稱重傳感器相結合實現電子天平功能，HX711模塊采用專用的模數轉換器芯片，能夠將高精度的模擬信號轉換為數字信號。它能夠接收稱重傳感器輸出的微小電壓信號，并將其轉換為數字信號輸出，以供微控制器或其他數字設備使用。稱重傳感器采用應變片的電橋測量原理，將危化品重量的改變轉變為電阻的變化，進而轉變為測量電路輸出電壓的變化。通過測量輸出的電壓值，可測得危化品的重量[10]。

3 軟件設計

系統中使用觸摸屏作為人機交互裝置，為用戶提供了友好的操作界面，便于領用人進行危化品領用以及管理員管理危化品。

用戶領取、歸還危化品的四個界面分別為登錄界面、系統主界面、危化品領取界面、危化品歸還界面。界面展示如圖4所示。

界面會顯示所預約的所有危化品，由領用人選取此次需要領用的危化品，待領用完成將自動退出登錄。歸還危化品時首先選取此次歸還的危化品，放入試劑柜等待危化品信息核驗完成，退出登錄。交互流程如圖5所示。

3.1 系統登錄界面

系統通電后首先將各模塊初始化，待系統啟動后進入登錄界面。完成管理員登錄、系統配置、用戶注冊功能。點擊“登錄”后，系統會啟動人臉識別模塊識別人員身份（同步判斷管理員、主管和領用人是否為同一人）。兩個管理員都登錄后，才可以點擊進入系統，否則會彈出提示。

3.2 系統主界面

系統主界面主要有兩項功能：領用危化品和歸還危化品。選擇要進行的操作，可經過人臉識別確認身份后進入相應的界面。主管、管理員也可以作為危化品領用人重復登錄。使用人登錄后，左側為已領用的危化品列表，可以顯示7行，用于顯示臨近歸還日期的危化品。右側顯示已從網頁端預約的危化品。如果有已逾期未歸還的危化品，左側狀態顯示“有逾期”，否則顯示“正常”。待取出危化品后，可以點擊“選取危化品”進入下一界面進行操作。

3.3 危化品領取、歸還界面

危化品選取步驟如下：

（1）掃描危化品瓶上的二維碼，屏幕顯示危化品名稱；

（2）將危化品瓶放到天平上，點擊屏幕上的“稱重”獲取重量；

（3）點擊“用途”下方的位置，可以更改危化品用途，如果不選擇默認為教學用途（這是歸還時間最早的方式），之后進行下一種危化品的操作；

（4）全部操作完成后點擊“完成選取”返回領用危化品界面。

如果出現誤操作，可以刪除后重新進行上述操作。危化品歸還與領用的操作流程基本一致。

4 實驗驗證

本實驗使用化學實驗室作為試驗場地，實驗人員分別對云平臺和硬件設備進行了實驗驗證，管理員通過云平臺查詢危化品領取情況、用戶人數，領用人通過云平臺進行危化品預約、庫存查詢。危化品領取情況如圖6所示。

當人臉識別模塊識別到人后，向STM32發送指令，STM32接收到指令后控制觸摸屏亮屏，用戶可以進行登錄、注冊、領取和歸還操作。與此同時，STM32控制CAT.1模塊與云平臺通信，拉取、更新實時信息并在觸摸屏上完整顯示。

5 結 語

綜上所述，本研究基于STM32成功設計并實現了一套高校化學實驗室危化品管理系統。通過云平臺技術與物聯網技術的結合，實現了危化品的信息化管理，使數據更透明、管理更便捷。未來，可以進一步探索系統的可持續性和擴展性，以滿足不斷變化的實驗室管理需求，推動更廣泛的智能化管理應用。

參考文獻

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[2]彭雙雙. 高校危化品庫建設與管理中存在的問題與對策[J]. 化工設計通訊，2023，49（7）：121-123.

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[10]汪國平，胡博，陳仲生，等.基于STM32微控制器的表面缺陷視覺檢測方法[J].電工電氣，2024（2）：47-52.