基于STM32的智能实验室预警系统设计

基于 STM32的智能实验室预警系统设计

吴绩涛、张卓文、谢泓全、王童雨

中国石油大学（华东），山东青岛 266580

【作者简介】：

吴绩涛（1998-），男、汉族，河南信阳人，中国石油大学（华东），研究方向：电力系统。

张卓文（2000-），女、汉族，河北邢台人，中国石油大学（华东），研究方向：自动化。

谢泓全（2000-），男、汉族，四川巴中人，中国石油大学（华东）研究方向：测控技术与仪器。

王童雨（2000-），男、汉族，山东烟台人，中国石油大学（华东）研究方向：测控技术与仪器。

摘要：高校实验室具有使用频繁、人员集中且流动性大、安全隐患分布广、危险源集中等特点。而高校实验室由于安全事故引起的人员伤亡、仪器设备、重要资料损毁等事故屡有发生,造成的损失无法估量。本项目拟研究防范实验室安全事故的智能预警系统，提出一种基于STM32单片机的智能安全实验室预警系统，实现实验室安全智能化，实用性极高，大大提高实验室安全管理能力和水平，可广泛适用于各种场合，具有十分重要的研究应用价值和推广借鉴意义。

关键词：智能安全实验室；STM32；预警系统。

1引言

高校实验室是高校实践教学的重要场所，也是安全事故的重灾区。因此对实验室安全建设的要求也越来越高，但由于实验室建设的复杂化，如何有效的对实验室的安全信息进行监控、对突发的安全状况进行相应及时的处理，是各专业实验室管理人员面临的共同课题。因此，本文提出的智能实验室预警系统设计，希望能够将“智能安全实验室”普及到每一所高校，成为对预防实验室发生危险行之有效的措施。

2系统总体框图

根据研究内容，基于STM32单片机为控制核心，采用传感检测、通信等技术，通过相应传感器采集有关信息，将各传感器采集的信息输入到单片机，单片机运用相应的信号处理算法对采集的信息进行分析、处理并显示,异常情况自动报警处理，并向管理员发送报警消息，提醒管理员对实验室安全隐患及时处理。管理员即使不在实验室也能掌握了解实验室的安全情况，而且还可远程操作监控，实现智能安防、远程监控功能。

拟采用无线监测设备，无需布线，据实验室结构，设备安装放置在合理位置即可。并可根据不同实验室承担的任务、功能不同、仪器设备不同等实际情况，系统的设计有不同的侧重和多种组合方式，灵活增减调整布控相应的传感检测器，以利于最佳控制和管理。

图 1 系统原理图3 主要研究内容

3.1 控制模块

系统采用 STM32 F103RBT6开发板作为系统的主硬件平台，STM32 具备体积小，性能强，功耗小，价格低，外设丰富等功能，能够较为容易地开发出实现的功能。STM32 被广泛应用在销售节点机、USB 设备、工业自动化、家电、建筑安防的场Air208S GSM 是一款四频 GSM/GPRS 模块。通过预先编写程序，当需要拨打电话或发送短信时，主硬件平台STM32开发板通过串口向 Air208S GSM模块发送 AT 指令，进行拨打电话或发送短信

3.2电力系统安全监测

基于安全用电，实验室加装无线智能控制开关和插座，可通过无线方式控制其通断，操控方便，根据实验室日常具体使用时间设定电路的自动开启和关闭，主配电盘加装远程智能控制模块。

实时监控设备能耗和电网电压，如果监测到用电设备过流、过压、过载、短路、电压异常、异常升温等情况，自动切断电源并立即报警，并给实验管理员发送信息，通知管理员及时查看、维修和处理，防止因用电异常或设备故障等造成的损失。

当插座接插用电设备后,将有电流输出,电流传感器开始工作,采集电源插座输出电流。如果电源插座所接用电设备过多，出现过流、过压、过载等情况，则启动保护电路断开输出。而当电压波动较大，比如超出15%时，也会启动保护电路断开输出。如果插座输出电压、电流以及功率正常，但是由于其工作时间较长，引起异常升温,也将启动保护电路断开输出，防止事故发生。

管理员还可以远程操控某一路用电设备的电源开启和关闭，减少直接接触强电控制箱触发危险。可根据实际情况设定对某一路或多路用电插座开启的时间段，比如节假日、寒暑假、教学时间外实验室休停的时间段电源自动关闭，确保用电安全，同时节能。

3.3安防监测模块

安防监测模块主要采用红外网络摄像机监视实验室视频图像信息，用红外传感器监测是否有非法入侵及异常打开门窗等盗窃隐患。

（1）图像监测：

红外网络摄像机是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。它可以将影像通过网络传至任何其它地方，且远端的浏览者不需用任何专业软件，只要标准的网络浏览器即可监视其影像，红外夜视可监视到黑暗环境下肉眼看不到的影像。

当管理员收到报警信息时，可利用手机或电脑查看实验室照片和视频，查看门窗水电状态，是否有非法入侵室内，更有效控制危险因素，更有利安全管理。

（2）非法入侵监测：

采用热释电型红外传感器，又称人体红外传感器，被广泛应用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。能检测人体辐射的红外线，当检测到红外信号变化时，将其转化为电信号，经过信号处理，输出高电平作为告警信号传送给控制模块，如果满足报警条件，就会发出控制信号驱动防盗报警，并给安全管理员发送报警信息，提示房间有非法入侵提醒管理员注意查看，及时采取相应措施确保实验室防盗安全。

3.4温度监测模块

采用DS18B20温度传感器, 低温度系数晶振产生固定频率的脉冲信号发送给计数器1, 高温度系数晶振产生的信号作为计数器2的脉冲输入。测温范围-55℃～+125℃, 测温误差1℃。该传感器有独特的单线接口方式, 和单片机连接时仅需一条线, 即可实现双向连接。该传感器价格实惠、响应速度快, 是实验室传感器的不二选择。3.5防漏水监测模块

采用无线水浸传感器检测是否漏水。水浸传感器是基于液体导电原理，用电极探测是否有水存在，如果有漏水、跑水等情况，触发水浸传感器，再用传感器转换成干接点输出。

3.6特殊环境参数监控

选用MQ-2 烟雾传感器对实验室易燃易爆、有毒气体、烟雾等进行监测。MQ-2是气敏元件，具有探测范围广、高灵敏度、快速响应恢复、优异的稳定性、寿命长、驱动电路简单等特点，可以对液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等多种由于其工作时间较长，引起异常升温,也将启动保护电路断开输出，防止事故发生。

管理员还可以远程操控某一路用电设备的电源开启和关闭，减少直接接触强电控制箱触发危险。增大，传感器可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，输出信号可直接与单片机连接，使用方便。当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到危险气体信号时，将信号传输给单片机处理并触发报警。

3.7通信模块

无线通信WiFi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术。无线接入和高速传输是WiFi技术的主要特点，WiFi已经广泛应用，尤其在掌上设备上应用越来越广泛，在高校校园尤其是实验室基本实现了WiFi全覆盖。为充分利用已有条件，并节约成本，采用WiFi无线通信。通过WiFi无线通信进行数据信息传输， “人机”交互。

3.8 报警模块

采用声光报警和短信报警。为节约成本，简便易行，声光警模块拟采用光电报警（发光二极管）和声音报警（扬声器或蜂鸣器）组成，当检测到异常信息时，控制模块发出报警控制信号，报警装置得到响应后发出声光报警，引起在实验室的人员注意，并将报警信息发送给实验室安全管理员，方便即使采取有效防患措施。

3.9显示模块

采用LCD12864液晶显示模块，此液晶能显示多行汉字，性能较好。在实际应用中，它把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体，作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点。通过12864液晶对实验室安全指标信息实时显示。

3.10软件设计模块

采用模块化程序设计，使用C语言编写程序，各模块函数独立封装，在主函数中被调用，如有报警信息产生，就执行异常处理，即消除隐患。

图2 监测模块流程图

图3 主程序流程图

4结语

实验室安全是实施人才培养和科学研究的根本保证，对高校乃至整个社会的安全和稳定都至关重要。因此对实验室安全建设的要求也越来越高，但由于实验室建设的复杂化，如何有效的对实验室的安全信息进行监控、对突发的安全状况进行相应及时的处理，是各专业实验室管理人员面临的共同课题。随着科技的快速发展，智能监控技术的不断发展，智能安全报警系统逐渐受到重视，且应用日益广泛，将“智能安全实验室”普及到每一所高校，对预防实验室发生危险是非常必要和行之有效的措施。

5参考文献

[1]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.

[2]张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社.2006.

[3]陈伟.MCS-51系列单片机实用子程序集锦.清华大学出版社.1993.

[4]吴佑寿.LabVIEW7实用教程.电子工业出版社.2007.

[5]朱明程等.一氧化碳传感器MGS1100原理及应用电子技术.1998年第1期.

[6]刘迎春.传感器原理设计及应用.哈尔滨工业大学出社.

[7]赵负图.数据采集与控制系统.北京科学技术出社.1987.

[8]王若鲸.数据通信系统入门.人民邮电出版社.1984.

[9]肖忠祥主编.数据采集原理.西北工业大学出版社.2003