摘要：针对实验室管理中存在的安全问题，提出并设计了一种基于云平台的智能实验室远程监控系统。利用FRID技术对进出人员信息进行记录。在实验室内安装温度传感器和湿度传感器，把实验室内的环境数据上传至云平台，当温度传感器和湿度传感器检测到实验室环境参数异常时，云平台将实验室的数据信息及时反馈到当时正在值班的管理员的移动电话端上，提示实验室可能存安全隐患。烟雾传感器可以检测实验室的烟雾浓度和可燃气体。实验表明，系统可以在不同环境下正常工作，且运行可靠，反馈给云平台的数据和检测到的实验室环境参数准确，有助于提高实验室安全性。
关键词：云平台;远程监控;STM32单片机;检测电路
0 引言
为了能更高效地进行实验室管理[1-3]，减轻实验室工作人员的负担，提高实验室环境的安全指标和节约人力成本，本文设计并制作了一套基于云平台的智能实验室远程监控系统。该系统结合单片机技术、传感器技术、云平台技术、 RFID 射频识别等相关技术，可以快速识别出进入人员的身份，并记录在单片机中，通过RC522刷卡系统检测进入实验室人员的身份。实验室的实验设备和实验试剂很容易受到温度和湿度的影响，比如电子仪器在过于潮湿的环境下可能会导致实验室设备线路短接的问题;一些化学试剂在潮湿的环境下很容易受潮而导致不能使用。为了尽量避免这些影响，该系统设计了温度和湿度传感器，此外还设计了烟雾报警系统，可对实验室的烟雾浓度和可燃气体进行检测，当检测到实验室的环境不正常时就会通过报警系统进行报警。检测电路用来检测实验室中的温度、湿度、烟雾浓度和可燃气体等环境参数，并通过云平台把这些参数反馈给实验室管理者。设备耗电量较小，整个系统占用的空间相对较小。系统连接好电源后，基本就不需要人工操作。该系统可以代替人工全天候检测和监视实验室的环境参数，并且可以通过移动电话软件来控制主控板上的指示灯，以达到远程操作的目的。
1 总体设计方案
基于云平台的智能实验室远程监控系统主要是对实验室温度、湿度、是否存在可燃气体、人员相关信息、人员使用实验设备情况和所使用的实验设备进行监控。控制系统可以对实验室可能存在的安全隐患进行报警，防止意外发生，并对某些突发情况通过传感器和报警系统迅速地把数据传到云平台上。主模块包括STM32控制模块和BC26通信模块，这两个模块将数据传至云平台，然后通过云平台将实验室的相关数据反馈到移动电话 APP 上或者云平台上。子模块包括 MFRC522模块、LCD1602显示模块、烟雾报警模块、温湿热检测模块等，主要功能是将实验室的数据实时显示在液晶显示屏上。总体方案如图1所示。
2 系统硬件电路设计
2.1 单片机核心控制板
本系统数据采集部分以 STM32F103 作为核心，包括了STM32F103 单片机最小系统、液晶显示模块、RFID 射频模块、蜂鸣器模块、烟雾报警模块。RFID电子标签里记载着用户的相关信息，通过RFID射频模块识别来自射频单元的信息并加以处理，并判断此信息是否符合要求，通过液晶显示屏显示是否通过检测。传感器系统实现对实验环境的检测，判断实验室的环境指数是否正常，如果不正常将进行报警，并反馈给管理员，从而控制意外事件的发生，减少实验室设备的损失。实验室的环境指数通过云平台可以实现信息可视化，且随时可以查看实验室的信息。
2.2 人员进出实验室检测电路
本系统中检测人员进出的情况采用MFRC522模块和RFID 技术。RFID是一款非接触式的自动识别技术，通过对应的射频信号对目标进行识别，识别工作时无需人工干预和其他操作。可以在各种恶劣环境下工作，体积小，占用空间不大。 RFID技术可识别高速移动的物体，且可以同时识别多个进入电磁场范围内的标签，这样极大地提高了工作效率。基本工作原理是采用电磁耦合的方式使得标签从读写器耦合线圈的辐射近场中获得能量，从而达到与读写器进行数据交换的目的。RC522端口有SDA (数据接口)、SCK (时钟接口)、MO⁃ SI(SPI 接口主出从入)、MISO(SPI 接口主入从出)、NC(悬空)、GND (地) 和RST (复位信号)，3.3 V (电源) 通过串口实现与单片机之间的数据传输。对于读卡器模块，当标签靠近读卡器的电磁场范围以内时，标签天线就会产生感应电压，其电容开始储存电能，当积累到一定的能量时标签就可以工作了。通过单片机把标签中的相关信息写录到程序中，当读卡器识别和读取到标签信息时，信息就会通过LCD1602 液晶显示屏显示出来。通过RFID和天线来读取卡内的信息的方式，判断该信息是否符合要求，然后利用蜂鸣器来提示操作是否成功。人员进出实验室检测电路如图2所示。
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2.3 NB-IoT电路
本设计中 NB-IoT 模块采用 BC26 芯片，BC26 是高性能、低功耗、且支持多个单频段和多频段的 NB-IoT 无线通信模块。可以支持多个通讯协议，例如 MQTT、IPv4。BC26 与移远通信GSM/GPRS M26模块相兼容。BC26还支持低供电电压范围 (2.1～3.63 V)，更适合 NB-IoT 技术的应用场景。在设计方面，BC26采用LCC封装，兼容移远通信GSM/GPRS系列的M26模组，方便现有的2G客户快速、灵活地切换至NB-IoT 网络。BC26提供丰富的外部接口。
2.4 温湿度检测电路
本系统采用DHT11模块检测实验室的温湿度。DHT11传感器是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器，拥有专用的数字采集模块和温湿度传感技术，DHT11模块采用4针单排分别是VDD、DATA、NC、GND[3]。DHT11是一款单总线的温度传感器，供电范围为 3.3～5 V，湿度测量范围20%～90%相对湿度，温度范围0～50 ℃，具有采集数据准确、分辨率高等特点。温、湿度传感器通过 DATA 端口输出8位湿度整数数据和8位湿度小数数据，8位温度整数数据和8位温度小数数据和主机进行数据传输。在VDD和GND之间增加一个电容用于去耦和滤波，使得到的数据更加准确。
2.5 火灾报警电路
实验室的火灾报警采用MQ-2烟雾传感器。工作原理就是其表面离子式N型半导体，200～300 ℃时，SnO2会吸附空气中的O2，形成O2的负离子吸附，使电子密度减少，电阻值增加。当MQ-2传感器与烟雾接触时，晶粒间界处的势垒受到烟雾的调制而变化，就会引起表面导电率的变化。烟雾报警模块最主要的芯片是LM393和ZYMQ-2气体传感器。工作电压为5 V，MQ-2模块采用4针单排引脚封装，接线简单、精度高、易操作等特点，4 个输出端口分别是 VCC、GND、DO、 AO。模块可通过DO端口和AO端口将数字量和模拟量发送到单片机中，然后再通过液晶显示屏显示出来。比较器的输出端口接数字输出端，为了判断是否检测到了烟雾，在比较器的输出端口接一个LED指示灯，当输出端口为低电平的时候 LED灯点亮，说明实验室的烟雾浓度超出了安全值;当输出端口为高电平的时候LED灯灭，说明实验室的烟雾浓度正常。
本设计利用该特点获得烟雾信息，通过比较器电路，把输出烟雾值的直流信号，加到比较器上，形成门槛电压。烟雾的浓度大于门槛电压时，比较器会输出低电平，则火灾报警系统进行报警。烟雾的浓度小于门槛电压则输出高电平，表明实验室的烟雾浓度正常，则火灾报警系统不报警。同时也在比较器的输出端口连接一个滤波电容，用于过滤掉干扰信号。比较器的输入端口连接一个电位器，可达到调节MQ-2 模块预值的作用。模拟输出端口直接和QM-N10传感器的输出端口相连接，模拟电压在0.1～0.3 V之间实验室的烟雾浓度相对正常。
3 系统软件设计
本系统程序采用模块化结构[4-6]，由STM32F103单片机作为主控单元，通过温湿传感器和烟雾报警器反馈的值，判断实验室内是否存在可燃气体，以及温度、湿度和烟雾浓度是否在安全范围内，以此为标准来判断实验室的环境是否安全，在单片机检测出问题后及时向正在值班的管理人员发出警告，并提示正在实验室里的人员。在进入实验室时通过刷卡的形式进入[7-9]，通过FRID电路不断查询是否有进出人员。相关数据会上传到云平台[10-11]，并在下位机的LCD1602液晶显示屏上显示出来，由程序来判别人员是否有进入实验室的权限[12]。系统总体软件流程如图3所示。
4 系统测试
系统设计完成后，在各种环境下对系统进行测试，为了方便观察实验现象，将温度上限调到 23 ℃，湿度调到了 90 RH，并将数据记录下来，数据测试结果如表1所示。通过对测试实验数据进行分析可知，这套设备对实验室的检测效果良好，不论是实验室的温度出现异常还是湿度出现异常，或是烟雾报警器出现异常，蜂鸣器都会第一时间进行报警，提醒实验室管理人员。
5 结束语
本文所设计的系统可以根据不同地域、不同环境来设置检测系统的上限报警参数和下限报警参数，使得该设备更加实用，运用范围更广。实验室中的传感系统，对实验室的温度和湿度采集准确，误差范围在±5%之内，可以很好地满足需求。检测人员进出模块可以更加快捷、准确地识别出进出人员的信息，并且记录下相关信息，方便以后查找，提高实验室的安全指数，预防意外的发生。该系统结合了单片机技术、传感器技术、RFID射频识别技术等一系列的相关技术，为实验室的管理提供了一种简单、高效、智能的方式。其还可以广泛使用在日常生活、工业生产、农业生产等多个领域，当运用到不同领域时，只需要改变程序中的温度、湿度和烟雾浓度的上限报警参数即可以投入到实际应用中。——论文作者：李得至，邓 鹏，唐文涛，鲍明禄，张正义
