崔吉1，張燕超2,趙軍1

　　（1.中國礦業大學 徐海學院，江蘇 徐州 221000； 2.中國石油天然氣管道第二工程公司，江蘇 徐州 221000）

　　摘要：為了解決目前開放實驗室管理存在的問題，研制了一個以STM32為控制核心的智能監控系統模型。該系統采用了模塊化設計，并通過實際測試。該系統能實現室內溫度監測和火災預警、頭像信息采集記錄、射頻卡門禁系統、單片機與手機之間信息通信、利用動態密碼進入實驗室及相關信息在觸摸屏上顯示。該智能監控系統新穎實用，能有效提高實驗室管理。

　　關鍵詞：智能監控系統；GSM；傳感器；觸摸屏；模塊化設計

0引言

　　為了培養在校大學生的實踐動手能力，許多高校實驗室已開放使用，參考文獻［1］介紹了一種開放式的實驗教學系統，借助刷卡機、管理機、服務器和校園網絡的開放式實驗教學管理系統，提高學生動手實踐能力，因材施教。參考文獻［2］介紹了一種利用構件和基于Agent的數據采集系統來實現對實驗室在無管理員的狀態下對使用人員和實驗設備的監控和記錄，便于實驗設備的維護和實驗室領導對實驗課程開課安排。參考文獻［3］利用PLC和STM32的智能實驗室SCADA系統來監控實驗室環境。目前高校開放一些實驗室供學生使用，本文針對開放實驗室管理中存在的諸多問題，設計了基于單片機的實驗室智能監控系統。

1智能監控系統概述

　　實驗室智能監控系統包括數據傳輸與處理和圖像監控與存儲兩個方面。根據硬件不同，本系統分成4個子系統：門禁系統、GSM系統、圖像采集系統、煙霧感應系統。門禁系統采用射頻卡和動態密碼兩種方式進行身份認證和開鎖，負責校園卡的識別與認證，GSM系統發送隨機密碼到實驗室管理員手機。圖像采集系統負責對進入實驗室內的人員進行圖像采集和備份。煙霧感應系統時刻監視實驗室內是否有火災發生。通過微處理器完成整體控制功能，利用總線及串口通信傳輸信息。高校實驗室智能監控系統的整體結構如圖1所示。主控制板和從控制板聯系在一起，完成了整個系統的功能。單片機芯片處理傳感器檢測的信息，并將處理后的內容在TFT顯示屏上顯示。圖1智能監控系統整體結構圖用戶可通過TFT觸摸屏來選擇查看實驗室當前狀態。

2智能監控系統硬件平臺

　　本系統的硬件平臺由單片機芯片、TFT屏顯示、按鍵、門禁、GSM和攝像頭組成。單片機分為主控制器和從控制器。主控制器主要連接煙霧傳感器、RFID門禁卡、DS18B20、GSM模塊。從控制器連接OV7670、紅外傳感器、SD卡。主、從控制器之間相互連接且分別連接一個TFT屏。

　　2.1微處理器

　　本系統所用外設較多，選用了雙控制芯片［4］的模式，分為主、從控制器，芯片為STM32F103RBT6。STM32F103RBT6單片機共有64個引腳，需要合理分配。主控制器由STM32處理器及其外圍電路（TFT屏、運行指示燈、電源穩壓）組成；從控制器由STM32處理器及其外圍電路（TFT屏、運行指示燈、電源穩壓、SD卡）組成,主控制器電路如圖2所示，從控制器與其類似，在此不再詳述。　

　　SIM300是一款雙頻高度集成的GSM模塊，具有性能穩定、功耗低的特點。主控制器產生動態密碼，SIM300將密碼以短信的方式發送至管理員手機，通過索取密碼、按鍵輸入實現無鑰匙進入實驗室［5］。本系統設計了SIM300自動開機電路，開機引腳為第34腳，電容為330 μF/16 V。使用SIM300的RXD和TXD與單片機模擬的全串口相連，實現數據的交換和指令的發送，部分原理圖如圖3所示。

　　2.3TFT真彩2.8英寸觸摸屏顯示模塊

　　本系統使用的是TFT液晶屏，由ILI9320驅動，采用16 bit的并行方式與外部連接。該模塊功耗低,支持8 bit、16 bit總線接口,模擬I/O控制，彩屏模塊上配置ADS7843觸摸控制器,支持一個SD卡（SPI方式），支持一個SPI的Data Flash,構成人機交互圖形界面。設計時TFTLCD模塊的RST信號線與STM32的復位腳是直接相連的，雖無法通過軟件方式進行復位控制，但可以有效節約芯片上的引腳。TFTLCD的背光是由專門一個的引腳進行控制的。因此總共需要21個I/O口。

　　2.4攝像頭模塊

　　本系統選用的攝像頭型號為OV7670，CMOS圖像傳感器，整體尺寸較小，供電電壓低，能實現單盤VGA攝像頭和影像處理器的功能。由紅外檢測傳感器觸發攝像頭模塊工作，當實驗室門打開時，人體紅外感應器一旦感應到有人員進入就會啟動攝像頭自動拍照并將進入者的照片保存在SD卡上［68］。OV7670與FIFO相連，數據保存在FIFO中，從控制器與FIFO引腳相連。OV7670模塊自帶了12 MHz的有源晶振、穩壓芯片和FIFO芯片，整個模塊與外部的連接是通過2X9雙排實現的，其控制原理如圖4所示。

　　2.5室內環境監測

　　溫度傳感器DS18B20［9］通過單總線的模式與STM32進行數據傳輸，轉換成溫度顯示在TFT屏上。煙霧傳感器MQ2感應到室內煙霧濃度過高時，會自動發送報警信息到管理員手機上。

　　2.6RFIDMFRC522

　　MFRC522是一款基于13.56 MHz無線通信的集成度較高的讀卡芯片，擁有安全且穩定的秘鑰存儲器，用于存儲 Crypto1 秘鑰組。門禁鎖通過SPI與主控制器通信，MFRC522［1011］識別已被錄入系統內的校園卡或其他IC卡，通過SPI將數據傳入主控制器,TFT觸摸屏顯示校園卡卡號，主控制器進行卡號比對處理后將結果顯示在TFT屏上，驗證通過即可進入。本系統是通過SPI的方式與MFRC522相連接的，為其提供3.3 V的電壓，外接天線實現讀卡器與卡片的通信，如圖5所示。

　　實驗室智能監控系統的軟件可分為主、從控制器、攝像頭以及門禁密碼鎖3個部分，主要由底層驅動程序、系統主程序、顯示子程序、串口通信子程序及GSM子程序等部分［12-15］組成。編程語言采用 C 語言進行編寫。

　　當系統上電后，主、從控制器STM32F103RBT6開始進行工作，首先需要對其內部資源及外圍模塊進行初始化，包括對系統的時鐘、GPIO管腳、中斷向量、定時器以及串口等進行初始化。然后從EEPROM中讀取傳感器上下限閾值等固有參數。之后主控制器通過串口發送AT命令到GSM模塊對其進行初始化，當初始化成功之后，就會進入主控制的顯示界面，然后一直停留在GSM初始化的界面。鑒于篇幅原因，再此就不再詳細介紹各模塊程序。

4系統測試

　　本智能監控系統實物模型如圖6所示。在此基礎上，在實驗室環境下分別對主、從控制板、觸摸屏模塊、DS18B圖6智能監控系統硬件實物圖20顯示、MFRC52等性能進行測試，從其測試效果來看，液晶屏上能顯示當時測試溫度，

　　則對比了18B20傳感器的測量精度；本系統讀卡模塊和顯示模塊正常，而且程序能正確識別IC卡；通過SIM模塊測試，能發送動態驗證密碼來開啟門禁系統。從測試結果來看，系統硬件運行良好，從而進一步驗證設計的合理性。

5結論

　　本論文設計了一種以STM32F103RBT6為處理器且簡單易行、造價低廉的實驗室智能監控系統，并且完成主要功能模塊選型以及軟件設計和程序調試，實現通過采用手機短信、刷卡方式的門禁系統以及圖像采集、火災報警等功能。今后將在原有系統基礎上對模塊進行整合，在減小系統的體積及功能完善等方面做進一步工作。

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