基于STM32的材料检测实验室环境监测物联网系统设计

基于STM32的材料检测实验室环境监测物联网系统设计

林劲柏1，崔峥艳

江门市量质检测技术有限公司，广东 江门529000 沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110020

摘要：

随着国家大基建和房地产的蓬勃发展，以及相应政策放开，第三方材料检测行业迎来史诗般的发展，随着检测业务资源由以往的国企主导逐步向私企和外企转移，所以检测行业上的涌现了一大批的后起之秀。但是大多数检测实验室都是按照以往的规章条例建立，并没有与时俱进，随着工作量的增大就会逐渐淡薄安全管理方面。为了防止实验人员在实验过程中使用的有机溶剂，易燃易爆气体发生泄露的事故，造成实验人员的人身损害，和公司的财产损失，本文设计基于STM32单片机的材料实验室环境监测物联网系统，重点论述了各层的硬件和软件组成以及各层涉及到的关键技术与算法。实践表明，该系统将 STM32微控制技术与物联网技术相结合，设计的远程物联网测控系统具有较高的稳定性、安全性与可靠性， 具备较好的实用推广价值。

关键词: 材料实验室; 环境监测; 物联网;

1、当下传统实验室的安全管理弊端

第三方检测实验室普遍存在安全管理制度的原始条例，久不更新，温湿度用人工肉眼观看登记，实验室的环境气体检测意识薄弱，往往是发生安全事故才会去重视处理，可燃易爆气体的储存环境条件没有实时的检测系统，往往实验人员都是处在的一个危险的工作环境下进行工作[1-4]。其次实验人员的专业素质低下，普遍存在违规上岗，缺证上岗的现象，违规操作而造成的事故屡屡皆是。一个实验室的环境检测条件没有落实，再加上人员素质底下，造成的安全管理事故的发生概率就会大大增加。其三是雨后春笋的检测企业快速兴起，其试验室的管理工作并不会重视，管理观念薄弱，导致实验室的安全管理模棱两可，这会导致试验人员的工作损害，造成企业付出不必要的代价。

2、物联网技术的介绍与在实验室中应用的优越性

物联网的这个概念最早出现在比尔盖茨1995年《未来之路》一书中，当时只是局限于硬件与软件的发展，并没有引起人们的多大重视，

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。无所不在的“物联网”通信时代即将来临。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用和关注 [5]。

物联网技术在智能交通、智能家居、公共安全上面发挥了重大的作用，比如说在道路拥挤的情况下，能通过路面摄像头、地面感应等技术把道路的实时情况传递给驾驶人，让驾驶司机能及时作出调整；比如可穿戴的生物传感器，能实时监测人体的心率、血压、血氧，从而判断人的身体状况，及时作出调整提示；比如在自然灾害面前，地震、天气的异常变动，物联网能实时地监测坏境的不稳定性，提前预防和提前处理，及时采取应对措施，并且物联网技术还能实时监测海洋的相关情况，在海洋的污染防治和海啸预警有非常重要的作用。可见物联网技术有效地推动了这些行业的智能化发展，使得资源分配更加合理，从而提升了整个行业的效率与效益，在服务的范围和服务的对象方面上大大提高了人们的生活质量。

物联网实验室作为企业智能管理的重要组成一环，物联网实验室是以物联网技术为依托，利用微处理器，通过各种微电子传感器实时采集目标物体的测量值，通过一定的数据滤波算法得出准确值，同时经过各种有线或者无线网络进行传输，实现人机交互，使人对实验室的各种环境参数能够实时地管理和监测的实验室。物联网实验室作为企业智能管理的重要组成一环，有助于降低试验人员的工作量，并且使试验室的安全管理能力大大提高。物联网的实验室环境检测系统不但能在实验作业上进行全方位的管理，为工作人员创造一个轻松便捷的环境，而且能极大调动了员工的积极性，实现了实验室环境数据的有效采集、员工对采集的实验室环境数据及时分析并作出应对措施，打造出从实验室到工作人员监测的一条完整信息链。

3、物联网材料实验室环境监测系统

本文主要使用微电子传感器技术、微控制器技术、通信技术和网络技术打造一个实验室环境监测系统，当实验室出现可燃气体、有害物质超标，微电子传感器能立刻捕捉到信息，并发出警报给试验管理员，最大的限度保证人员与设备的安全。当检测到实验室的温度和湿度环境不符合标准的环境温度和湿度后，也能立刻发出预警通知实验管理员，进行故障排查［3］。

该系统的主要框架结构是由硬件端、物联网平台端和手机APP应用端组成。其中硬件端由STM32F407单片机、温湿度传感器、甲醛传感器、可燃气体传感器和执行机构模块组成。……如下图1所示。

图1 系统的整体框架

4、硬件层的系统设计

主控芯片使用STM32F407。传感器模块包括温湿度传感器、可燃气体传感器和甲醛传感器。开关模块由继电器组成。电源模块由AC转DC的开关电源组成。……如下图2所示。

图2 硬件层框架

4.1主控模块

使用STM32F407单片机作为该系统的主控的原因是因为这个芯片外设丰富，处理速度快，带有MAC网络控制器。满足改系统的设计要求。

4.2传感器模块

针对该物联网实验室环境监测系统的设计要求，针对性地选择可燃气体传感器、温湿度传感器和甲醛传感器。可燃气体传感器的工作原理是通过红外光谱去探测空气中的碳氢化合物含量，其反应灵敏，体积小，安全可靠，采用CAN总线通信接口，配合单片机的CAN模块通信实现数据的读取。非常适用于工业上的可燃气体检测。温湿度传感器的工作原理是通过一个电阻式感湿软件和一个负温度系数的NTC测温元件组成，采用单总线通信，驱动方便简单广泛应用于坏境检测系统中。甲醇传感器的工作原理是采用电化学方法测量空气中的甲醛含量，甲醛是世界卫生组织认定的一类致癌物，过量吸入甲醛会导致皮肤的持续刺激，内脏、呼吸道、细胞，甚至DNA都会造成损伤。甲醛在实验室的环境监测中是重中之重。……如下图4所示。

图4 传感器模块结构

传感器是该系统的关键，相对于甲醛和可燃气体的监测根据实验室的不同设定。设置每个传感器采集指标的阈值，将采集的数据进行均值滑动滤波的算法，传送给物联网平台，再由物联网平台传给用户端的手机APP，供用户实时观察。

针对温湿度的管理，STM32F407单片机读取温湿度传感器并判断所读取的数据是否处于标准温湿度范围内，再通过PID算法去控制继电器的开合从而控制空调和排气扇的工作，进而实现调节实验室的温度和湿度［6］。……如下图5所示。

图5 PID算法闭环控制流程

数学表达式为（1）所示

式（1）

其中：Kp为比例系数；Ti为积分系数；TD为微分常数err（t）为偏差值，U(t)为控制量。

4.3电源模块

电源模块主要是给主控模块、传感器和继电器开关模块供电，以确保各个模块能正常工作。为了保证各个模块的正常工作，本系统采用金升阳的220V 转直流12V的开关电源，该品牌稳定性高，效率高，功率大，抗干扰能力强。12V直流电源经过78L05线性稳压器转换成5V给各个模块供电。从而使每一模块都能稳定工作。

4.5网络通信的设计

为了保证数据的传输实时性，本设计弃用wifi等无线传输，使用以太网模块。在这里我们选用LAN8720A 这颗芯片作为 STM32F407 的 PHY 芯片，该芯片采用 RMII 接口与 STM32F4 通信，占用 IO 较少，且支持 auto mdix（即可自动识别交叉/直连网线）功能。 板载一个自带网络变压器的 RJ45 头（HR91105A），一起组成一个 10M/100M 自适应网卡[6]。 其电路如图6所示。

图6 以太网电路

整个物联网的工作过程为，STM32F407单片机采集传感器信号，经过算法处理后通过以太网模块发送给云服务器，最后手机APP端与云服务器连接实现数据交换。整个链路从硬件端到物联网服务端再到用户端的搭建［7］。……如下图7所示。

图7 整个物联网链路框架

5、物联网平台设计

物联网平台是一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等能力的一体化平台。向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制，同时能将实时的数据储存在MySQL数据库上，以便供后期查询使用。

目前市面上的物联网服务器众多，如阿里云，百度云、机智云、中移动等众多物联网平台。该系统选择巴法云免费物联网平台，支持tcp和mqtt协议，支持发布模式，并且支持遗嘱机制。

6、用户端的手机APP开发

一个物联网的系统设计，从硬件层的数据采集，和物联网平台的数据交换，整个过程是还是无法实验远程监控。近年来随着科技的发展，出现了手机APP，微信小程序监控平台，用户只需要使用智能手机打开APP或者微信小程序就能实时观察到数据监测。

移动APP采用Android系统，该APP的主要功能是实现用户管理功能、接入物联网平台功能、显示实验室的各种数据、进行数据的记录储存、把一段时间的数据绘制成曲线图、发送命令到物联网平台进而控制硬件端的开关控制。

7、结语

以物联网技术为依托的材料实验室环境监测可以最大限度地保证实验人员的安全和实验室的财产安全。甲醛传感器，可燃气体传感器，温湿度传感器，继电器开关，通过主控芯片采集数据与控制开关，并通过以太网连接物联网平台，与用户端APP实现数据交换，整个数据链路以最大限度方便用户进行数据监测。整个方案上面的设计成本低，容易使用、应用的场景广泛，并且还可以针对相应的不同类型实室进行定制化的开发。

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参考文献：

［1］ 崔贯勋．基于物联网技术的实验室安全管理系统的设计［J］． 实验室研究与探索，2015，34(3):287－290．

［2］夏传鸿．基于物联网技术的物理实验室环境安全监控系统［J］．廊坊师范学院学报( 自然科学版) ，2021，21 ( 02) : 51 － 55．

［3］ 黄雅婕，张秀山，史蓓蕾． 基于物联网的实验室管理系统设计与实现［J］．实验室研究与探索，2019，

38(11) : 258－ 261．

［4］杨 帆，赵彤轩，玉钰涌，张慧翔.基于 S7 － 1200 PLC 的材料实验室环境监测物联网系统的设计［J］．工业仪表与自动化装置，2022（1）:60 － 65．

［5］田润，张秋霞．物联网标识编码标准EPC产生与发展［J］． 条码与信息系统，2019，162（2）:26-34

［6］刘文科.基于ARM Cortex-M7的可视化泥石流次声监测预警系统设计［D］ 中国地质大学,2019.

［7］章盼梅，朱万浩，张紫凡，郭志雄.基于物联网的高校实验室远程监控系统[J].自动化与仪器仪表.2021(8):151-159.