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摘要：針對實驗室重大設備安全管理工作中需要投入大量人力、物力，且管理成本高等缺點，設計并研制了基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統。系統采用單片機和多種傳感器采集實驗環境數據，然后將這些數據通過NB-IOT無線模塊上傳至云平臺，云平臺將數據傳到實驗室管理人員的手機上，實驗室管理人員可以通過手機實時了解實驗環境參數和實驗設備設備運行狀況，并對實驗室電源等設備進行遠程控制。實驗表明，設計的裝置具有性價比高、功耗低、實時性好、操作簡潔的特點，能有效預防和減少實驗室安全事故。

關鍵詞：云平臺；安全管理；NB-IOT；射頻識別

0引言

隨著物聯網和智能控制技術的發展和人們對智能化管理的重視，基于物聯網和云平臺的智能化電子產品逐漸應用在我們的生活、工作和學習中。高校的實驗室是大學老師和學生進行科研和學習的重要場所，其重要性和安全性也倍受到社會關注。高校是實驗室相對集中的地方，實驗室數量大、儀器種類和數量繁多。隨著近幾年許多高校的發展和規模的擴大，實驗室數量和種類也在逐年增加，實驗室管理者工作量也逐漸增大，傳統的實驗室管理方法已無法滿足現有的實驗室安全管理要求，如何研究并設計一種網絡化智能實驗室安全管理系統非常有必要。為了保障實驗室安全運行，本文研制了基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統，能滿足現代實驗室安全管理的需求。

1系統總體方案設計

本系統采用模塊化設計方案[1-2]，系統硬件主要由STM32單片機最小控制系統模塊、火災檢測模塊、RFID射頻識別模塊、溫濕度檢測模塊、NB-IOT模塊等構成。軟件主要包括單片機控制程序、手機端App程序、云平臺配置程序等[3-4]。基于云平臺的智能實驗室重大設備安全管理系統對實驗室的溫濕度、火災情況、人員進出情況等數據進行監測，并將數據上傳到云平臺，實驗室管理人員可以隨時通過手機App實時了解實驗室安全狀況，并及時做出處理。系統的總體方案框如圖1所示。系統軟件部分采用KeiluVision5和Javaeclipse進行編寫，App界面包括用戶注冊功能、采集數據實時顯示功能、歷史數據查詢功能等。數據信息發送過程為：（1）傳感器采集實驗室環境數據，送到單片機；（2）單片機將數據進行分類存儲，并送到NB-IOT模塊；（3）NB-IOT模塊通過COAP協議和云平臺交互數據；（4）云平臺實時刷新并轉發數據。

2系統硬件電路設計

系統硬件電路包括單片機最小系統、液晶顯示模塊、RFID射頻模塊、蜂鳴器模塊及煙霧報警模塊。RFID電子標簽里記載著進出實驗室人員的相關信息，通過RFID射頻模塊識別來自射頻單元的信息并加以處理。RFID射頻模塊將進出實驗室人員信息發送至單片機[5-6]。傳感器系統實現對實驗環境的檢查，判斷實驗室的環境指數是否正常，如果不正常時將進行報警，并反饋給實驗室管理員，以便實驗室管理員及時處理，這樣能極大程度地減少意外事件的發生，減少實驗室設備等財產的損失。實驗室的環境指數通過云平臺可以達到信息可視化且隨時可以查看實驗室的信息。

2.1STM32單片機最小控制系統電路設計

本系統以STM32F103C8T6C8T6單片機作為整個硬件電路的控制核心。該單片機片內資源豐富、存儲容量大、主頻高、價格便宜。STM32F103C8T6單片機開發方便簡單，內部集成有ADC、DAC、FLash存儲器等資源。最小系統電路采用8MHz晶振提供主時鐘，32.768kHz晶振提供實時時鐘。本設計中利用STM32F103C8T6單片機對傳感器采集到的數據進行處理后，將數據通過NB-IOT無線模塊發送到云平臺。

2.2傳感器檢測電路設計

傳感器的功能主要是檢測實驗室環境參數，送入單片機處理后向平臺提供準確、實時信息，便于實驗室管理人員對實驗室情況做出準確判斷。本文中傳感器檢測電路包括溫濕度檢測電路和煙霧濃度檢測電路。采用DHT11數字傳感器檢測溫度和濕度，DHT11內部已校準，只有4個引腳，接線簡單，1號引腳接3.3V，2號腳接單片機的I/O口PA3，3號腳懸空，4號腳接地。攝氏溫度測量范圍：0~50℃；攝氏溫度測量精度：±1~±2℃；相對濕度測量范圍：20%~90%RH；相對濕度測量精度：±2%~±5%RH，測量范圍和進度符合本設計的要求。DHT11輸出的是數字量，送到STM32F103C8T6后，需要經過變換，才能得到實際溫濕度值。MQ-2傳感器是一種半導體可燃氣體敏感元件[7-8]。如果可燃氣體濃度增加，MQ-2的電導率也會增加，電路主要由MQ-2傳感器、信號前置放大電路、模數轉換電路構成。火災檢測電路輸出的是模擬量，接到單片機的PB0引腳，經過單片機ADC轉換可以得到氣體濃度值。本電路電源部分采用+5V電壓供電。煙霧濃度檢測電路如圖2所示。

2.3RFID射頻識別電路設計

本設計中射頻識別芯片采用MFRC522，MFRC522是3.3V電源供電的低功耗芯片，利用電磁感應識別信息，并進行數據通信，外圍電路簡單，體積小，性價比高，在本設計中的作用是檢測實驗室人員進出情況。MFRC522通過SPI串口和單片機連接，本設計中MFRC522的MISO、MOSI、SCK、SDA引腳分別接到單片機的PA4、PA5、PA6、PA7引腳相連。RFID檢測電路如圖3所示。

2.4NB-IOT模塊外圍電路設計

NB-IOT具有功耗低、應用范圍廣等特點。本設計中NB-IOT節點采用上海移遠公司的BC26模塊，BC26模上提供有UART、SPI等多種串行通信接口，支持TCP、COAP、MQTT等多種通信協議，能方便使用者二次開發，在上面實現數據遠程傳輸。本設計中采用COAP通信協議方式傳輸數據，單片機采集數據，并進行處理后，數據通過串口發送到BC26模塊。BC26模塊將數據傳送到華為OceanConnect物聯網云平臺[9-10]，接收到的數據經過分類存儲、管理后，用戶可以通過手機App查詢云平臺的數據信息。BC26模塊與STM32F103C8T6單片機通過UART串口連接，NB-IOT傳輸數據采用透明傳輸方式。BC26模塊接口電路如圖4所示。

2.5電源電路設計

為了保證系統在突然斷電情況下仍然能夠持續穩定運行，本系統采用市電220V供電和鋰電池供電兩套方案。主電源由一個220V轉5V的開關電源提供，開關電源輸出的+5V電壓分成兩路，一路給單片機外圍接口電路供電，如給小型繼電器模塊、NB-IOT模塊供電，另一路采用LM1117-3.3芯片轉換為+3.3V給單片機控制板供電。備用電源由一塊3.7V鋰電池提供電能，包括升壓電路部分和穩壓電路兩部分。鋰電池升壓電路采用TPS63020作為電壓控制芯片，TPS63020芯片輸入電壓為1.8~5.5V，具有自動升降壓功能能，保證輸出電壓值穩定。TPS63020電源電路最大輸出電流可以達到2A，可以根據輸入自動升高電源或降低電壓，靜態電流小于50μA，電路具有體積小、供電穩定等優點。

3系統軟件設計

本系統軟件采用采用自頂向下的設計方式實現。軟件分為App界面設計部分和采集數據管理設計部分。App界面設計部分分為登錄部分和用戶注冊部分，采集數據管理部分包括實時數據查詢部分和歷史數據查詢部分。各數據采集節點的通信程序是本系統的軟件部分設計的核心內容，本設計的通信協議采用COAP。COAP是物聯網中常用的一種web協議，協議包長度最小長度只有4Byte。COAP協議通過消息的方式發送或接收數據。COAP協議支持可靠數據傳輸，通信雙方通過確認傳輸的數據是否正確，如果錯誤就重傳，采用這種方式來確保數據是否傳輸正確，數據傳輸誤碼率低，因此，COAP協議非常適合作為本系統的通信協議。NB-IOT模塊上電后，STM32單片機通過串口發送命令的方式對NB-IOT模塊進行配置，發送“AT+NRB”指令讓NB-IOT模塊初始化；發送AT+CFUN指令判斷卡電路連接是否工作正常；發送“AT+CSQ”指令查詢NB-IOT模塊信號的強度，執行該指令后，NB-IOT模塊會返回一個表示信號強度的參數，如果參數值在0～31，表示有信號，數值越大，信號越強，如果返回值為99，表示無信號；發送“AT+CGATT”指令查詢是否附著基站。如果能達到這些要求，NB-IOT模塊開始進行數據傳輸。NB-IOT模塊入網流程如圖5所示。水前液位在25%～18%之間時，根據公式M1=(21.264L1-355.21)×C1得出的結果比實際值要小。由于C1與C2濃度不一定相同，導致計算出來的進料箱補水后的進料濃度不能真實反映當前實際的進料濃度。以此選擇的進料速率和進料點也是不準確的，進而影響升級效果。而當液位大于25%時將不會產生影響。所以在重水升級塔日常的補水操作時盡量在25%液位附近補水。這樣可以保證最后計算出來的進料濃度的準確性。從而選擇準確的進料流量、進料點和頂部出料流量。

4結束語

綜上所述，為避免重水升級塔正常運行時底部產物濃度降低的問題，通過分析得知：在常規取樣操作時嚴格按照要求，充分循環，保證樣品的質量；升級塔進料箱日常的補水操作時盡量選擇在25%附近補水。這樣能保證最后計算出來的進料濃度的準確性。從而選擇準確的進料點和頂部出料流量；制定重水升級塔的預防性維修，及時消除隱患。如果出現升級塔底部產物重水濃度降低時，首先檢查進料流量是否穩定，否則提出檢修申請；其次在進料流量正常的情況下，增加底部產物箱電導的分析，判斷是否有泄漏導致的輕水進入塔內；最后制定好預維計劃，做好升級塔系統的預防性檢查維修工作。將隱患消除于無形。

參考文獻：

[1]宋剛.重水升級系統設計改進及運行優化的探討和實踐[J].中國核工業,2010(6):151-156.

[2]朱保國.壓力容器設計知識[M].北京:化學工業出版社,2016.

作者：鄧鵬 單位：荊楚理工學院 電子信息工程學院