實驗室環境智能監測控制系統的設計與實現

黃秋萍,陳海云,葉 凱

(浙江師范大學物理與電子信息工程學院,浙江 金華 321004)

在“大眾創業,萬眾創新”的新時代背景下,培養思維活躍、具有創新精神和綜合實踐能力的創新型人才已成為高等學校人才培養的基本要求。培養創新能力和綜合實踐能力的本質就是鼓勵學生多動手、多實踐,在實踐中促進學生綜合能力的協調發展,高校實驗室是實驗和實踐教學的重要場所,更是學生鍛煉動手能力的重要基地。為了更好地培養學生的創新創業能力,高校實驗室在常規的實驗教學外,提供了各種廣度和深度的開放服務[1-2],部分高校還增設了各類創新實驗室,為學生提供競賽和創新創業的孵化基地。實驗室開放力度的加大及各類創新實驗室的建立在促進學生創新創業能力培養的同時,也使實驗室安全、防火防盜等管理工作面臨極大的挑戰。實驗室安全問題是實驗室工作的重中之重[3-4]。目前現有的智能產品和防護系統通常只側重于某一方面,如溫濕度的檢測、有害氣體監測、智能安防報警等,缺少不同功能系統的整合,尤其是與智能斷電功能的整合。

為了更好地管理實驗室,針對實驗室內環境監測、節能斷電及防盜報警等現實需求,本文設計了一款多功能實驗室環境監測控制系統,通過人體感應實時統計實驗室內人數。在工作模式下,根據人數是否為零自動開啟或關閉電源,實現節能控制功能;系統可實時監測和顯示實驗室的溫度、濕度、可燃氣體濃度等參數,同時兼具日歷和時鐘功能。系統處于防護模式時,若檢測到實驗室內人數不為零,則系統通過SIM短信模塊向設定的管理員手機發送報警短信。不管是工作模式還是防護模式,可燃氣體超標時,系統將立即啟動聲音和短信報警,從而實現實驗室的智能安全防護。

1 系統設計

實驗室環境智能監測控制系統的主要模塊結構如圖1所示,硬件連接原理圖如圖2所示。主控模塊采用宏晶科技生產的STC12C5A60S2單片機,具有高速、低功耗和超強抗干擾等優點,用以實現對多種環境參數量的采集、運算和顯示的控制,并實現與短信模塊的通信。

圖1 系統主要模塊結構圖

圖2 系統硬件連接原理圖

環境參數檢測模塊包括DHT11數字溫濕度傳感器和MQ-5氣體傳感器。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器,可靠性和穩定性高,具有成本低、響應快、抗干擾能力強、精確校準等優點。溫度測量范圍-20～+60 ℃,測量誤差±2 ℃,濕度測量范圍為5%～95%,測量誤差為±5%[5,6]。DHT11的DATA信號與單片機的P0.5引腳相連,單片機依據DHT11輸出時序格式讀取溫濕度數據。MQ-5氣體傳感器以電導率較低的SnO2作為氣敏材料,對甲烷的檢測有很高的靈敏度,檢測濃度范圍可達300～10 000 ppm[7-10]。MQ-5的AO輸出模擬信號接單片機的P1.5引腳,利用單片機內部A/D轉換器轉換成數字信號,供LCD顯示。

SIM短信模塊采用SIM900A,支持2G、3G和4G手機卡,插入手機卡即可自動連接網絡,該模塊體積小巧、功耗低,支持短信、GPRS數據傳輸、發送彩信、DTMG、HTTP、FTP、PPP撥號等功能。SIM900A模塊板載工業級雙頻GSM/GPRS模塊,支持900/1800Mhz雙頻工作頻段,可以低功耗實現語音、短信和GPRS數據的傳輸[11-14]。單片機通過RXD、TXD與SIM900A相連,串口發送相應的AT指令控制SIM短信模塊發送設定好的短信內容至指定管理員手機。

人體感應系統由超聲波模塊HC-SR04和微型紅外熱釋電模塊SR602組成。超聲波模塊HC-SR04可實現2-400cm的非接觸式距離感測功能,測量精度為3 mm[15]。微型紅外熱釋電模塊SR602能在0～5 m范圍內感測到人體發射的紅外信號,可實現對移動人體的感應檢測[16]。系統設計在門外和門內分別安裝一組SR602紅外熱釋電模塊與HC-SR04超聲波模塊,超聲波模塊通過測量距離變化感知門框中物體存在,再由紅外熱釋電模塊確認是人體,兩者組合使用進行雙重判斷,能更準確地檢測到人體,防止誤判。同時,超聲波輔助檢測可彌補紅外熱釋電傳感器對靜止人體紅外信號不敏感的不足。通過門內外兩組人體感應信號出現的先后順序可判定人員的進出狀況,從而實現對實驗室內人數的實時統計。門內外SR-602模塊的OUT信號分別接單片機的P0.3和P0.4引腳,兩組HC-SR04模塊的Trig和Echo信號分別連單片機的P1.4、P1.3和P3.6、P3.7引腳。

此外,該系統還配置有時鐘模塊DS1302,用于生成日歷和時間信號供單片機讀取顯示,增強實用性。DS1302模塊的CLK、DAT和RST信號分別連接單片機的P1.0、P1.1和P1.2引腳,單片機采用同步串行方式讀取模塊數據。顯示模塊是常用的LCD1602,用于顯示日期、時間及其它環境參數和狀態信息。

智能控制系統的軟件流程如圖3所示,系統每隔2 s采集一次人體感應和環境數據,根據監測數據結果和系統設置的“工作”或“防護”模式,綜合判斷并做出響應。

圖3 系統控制軟件流程圖

處于工作模式時,根據實驗室內人數是否為零來控制燈光開關和電源輸出。實驗室內人數為零時,系統控制延時關燈并停止部分電源輸出,檢測到人數不為零時自動恢復供電。處于防護模式時,默認實驗室內人數為零,若系統檢測到人數不為零,則報警器發出聲音警報,同時向設定的手機發送入侵報警短信?？扇細怏w濃度超標時,在兩種模式下都能立即啟動聲音和短信報警,從而實現安全防護功能。

2 結果分析

設計完成的實驗室環境智能監控樣機系統如圖4所示。

圖4 實驗室環境智能監測控制樣機系統實物圖

工作模式下的監測結果如圖5所示,LCD1602顯示的內容從左至右第一行依次為年、月、日、星期、室內人數、當前模式和可燃氣體濃度,其中“N”表示工作模式,防護模式時顯示為“K”;第二行為時間、溫度和濕度。圖5(a)所示為實驗室內人數為零,系統檢測到有人進入時,人數加一,開啟實驗室內電源(樣機中以白色LED點亮指示),如圖5(b)所示。人數再次減為零后,白色LED將延時40 s后熄滅,即延時關閉室內電源。

(a) 人數為零

防護模式下的監測結果如圖6所示,正常狀態下實驗室內人數應為零,如圖6(a)所示;若監測到實驗室內人數不為零,如圖6(b)所示,則意味著有人入侵,系統將在現場通過蜂鳴器發出警報,同時發送短信至管理員手機,如圖7(a)所示。若可燃氣體的監測結果超標,不管是在工作模式還是防護模式下,系統都將同時開啟聲音報警和短信報警,短信報警內容如圖7(b)所示。經測試,該系統能有效檢測和記錄實驗室內人數,異常報警及時可靠,同時環境參數監測準確。

(a) 人數為零

3 結 論

本文設計了一款實驗室環境智能監測控制系統,該系統通過人體感應實時統計實驗室內人數,在工作模式下實現對實驗室照明和其它電源系統的智能控制,以達到節能環保的目的。系統在防護模式時,可根據室內人數判斷實驗室環境是否正常,異常狀態時通過短信向管理員報警。在節能控制與智能防護功能之外,系統同時具備萬年歷功能,可以顯示日期、時間、溫度和濕度等室內環境參數,并能對可燃氣體進行實時監測,當氣體濃度超標時會立即通過聲音和短信向管理員報警。該系統結構簡單、操作方便,環境參數檢測準確可靠,適用于實驗室,尤其適用于各類開放實驗室和創新實驗室,可以有效配合實驗室的安全管理工作,具有較大的實用價值,同時也能為學生提供一個安全可靠、自由度更高的良好的實驗環境,在新時代背景下助力高校培養學生的綜合實踐能力和創新創業能力。