彭辉丽, 李 真, 蔡本晓, 魏高尧

(1.杭州电子科技大学 a.理学院；b.自动化学院，杭州 310018；2.浙江工业大学 理学院，杭州 310023)

0 引 言

高校公共物理实验室承担着全校理工科大学物理实验课程，实验室有各种重要昂贵的实验仪器，而这些实验室的特点是开放时间长，进出人员多，仪器使用频率高，仪器老化快。在实验室无人值守的情况下，电闸未关闭可能会导致用电设备长时间通电工作而造成损坏，甚至发生火灾；门未及时锁上使非实验室人员在实验室无人情况下随意进出，造成一些不必要的事故[1-2]。目前的管理方案是人工排查，费时费力，而且可能存在遗漏。现有的实验室安防系统多为在实验室供电条件下的安防检测，主要包括现场温度、湿度、烟雾等，大多基于有线网络完成数据的通信，需要专门进行布线和工程改造，扩展性不佳，成本也较高[3-7]。实验室门禁管理系统通常只能记录刷卡开门的时间，而不能监测到实验室在无人时门是否锁上。因此，实验室的安全管理十分重要，能够实时监控获取有效的实验室安全信息并及时响应，将具有十分重要的意义。

本文主要介绍一种由传感器、单片机和无线传感器技术组成的检测实验室电闸和锁门状态的门电安全监控系统。该系统的主要优势为在无需更换防盗门锁和改造电闸内部电路的前提下，在电闸和门锁锁芯外围安装压力薄膜传感器，实现对电闸以及门开关的状态进行检测。该设备由具有检测功能的从机节点和具有显示报警功能的主控中心组成，利用压力薄膜传感器检测电闸和门的状态，通过STM32单片机结合ZigBee协议实现数据处理与通信[8]，巡查者不再需要进入每间实验室查看电闸及门的状态，就能直接从主控中心的TFT液晶显示屏上得知每个实验室电闸的开关状态和门的状态，而且准确性高。利用干电池对放在实验室做监测的单片机供电，无需外接其他电源，更加安全[9]。此设备既省去了巡查实验室的时间，又提高了检查效率，且成本相对较低。

1 系统总体设计

系统由主控中心和从机中心两部分组成。主控中心由单片STM32F103ZET6控制，主要功能是显示从机中心发回的各实验室门锁和电源的开关状态的信息，如果在设定的时间段内有实验室的电闸未关断或门未上锁，则主控中心蜂鸣器报警，相应的LED灯亮[10]。从机中心的各从机节点均由STM32F103C8T6单片机控制，当FSR压力薄膜通电后作为敏感元件与待测目标(电闸开关或门锁)进行交互，压膜电阻改变，经电阻-电压转换模块得到电压信号[11]，输送给单片机；STM32单片机为两路电信号设置相应的电压阀值，两路电信号通过STM32内部AD将两路电信号转换成为数字信号后，与阀值进行比较从而进行分析判断；然后将判断结果通过ZigBee无线网络技术以接力通信的方式将每个实验室的信息发送到主控中心。系统设计框图如图1所示。

图1 硬件系统设计框图

图2为该智慧门电安全监控系统的系统通信流程图，整个系统分主控中心和从机中心两套硬件系统。从机中心由若干个相同的从机节点组成，各从机节点按距离远近分别安装在实验室相应的位置，各从机节点之间以接力通信的方式将要采集的全部信息发送回主控中心。主控中心屏幕放置在实验中心办公室以液晶屏幕实时显示各实验室电闸及门锁开关状态。

图2 系统通信流程图

2 硬件部分设计

2.1 主控模块

该系统主控中心功能为接收数据并显示、报警，考虑到TFT液晶显示屏需要大量I/O口，主设备选用STM32F103ZET6芯片作为主机主控芯片。从机各节点功能为采集、处理、发送数据，为考虑未来的功能拓展，选用I/O口较多的STM32F103C8T6芯片作为从机主控芯片。STM32F103系列芯片为32 bit基于ARM核心的带64 KB或128 KB字节闪存的微控制器，工作频率可达72 MHz，2.0～3.6 V供电，包含-40～+85 °C温度范围和-40～+105 °C的扩展温度范围[12-13]。一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换，可以供门锁和电闸的数据采集模块使用。

2.2 电闸状态检测模块

压阻式压力薄膜传感器用于检测电闸开关的状态。图3所示为压力薄膜放置的实物图。

由于电闸开关对电闸塑料外壳的压力小于1 N，所以选取了0～1 N范围压力薄膜。压力薄膜固定于电闸关断的一端，当电闸关断后，电闸手柄恰好压住压力薄膜，压力薄膜就会受到一个1 N以内的法向力，这时薄膜的电阻发生了变化，通过电阻-电压转换模块将此变化转换为电压变化，然后将电信号传送给单片机[14]。

图4所示为该模块的电路原理图。用3 V的电压激励，反相比例放大电路结构，基于传感器电阻和反馈电阻的变化产生模拟信号输出。模数转换器把模拟信号转为数字信号输出。灵敏度由反馈电阻Rf和电压UT进行调整。降低反馈电阻和电压会使灵敏度下降，但可使量程增大[15]。根据实验室需检测的电闸数量，可增加检测模块。

图4 检测模块电路原理图

2.3 门状态的检测模块

压阻式压力薄膜传感器用于检测门的状态。三元乙丙发泡橡胶粘在锁扣盒内起缓冲作用，压力薄膜选取0～4.9 N范围，固定于三元乙丙发泡橡胶上，防止压力薄膜受力过大被压断。当门反锁后，反锁扣压住压力薄膜，相当于给压力薄膜施加了纵向压力，从而导致压力薄膜中的电阻发生变化，通过电阻-电压转换模块将此变化转换为电压变化，然后将电信号传给STM32单片机。图5所示为压力薄膜放置实物图，黑色凹槽是内嵌在门框上的锁扣盒。该模块电路原理图同图4。

图5 压力薄膜放置实物图

2.4 无线通信模块—ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[16]。

该系统利用ZigBee技术，采用的ZigBee模块实际测试的直线传输距离达100 m以上，穿墙情况下完全可以实现一个实验室长度的传输距离。使用2.4 GB频段并自动中转上一级的网络节点传过来的数据资料，从而实现多个网络节点的长距离数据传输[17]。

根据系统设计要求，选择无线收发芯片要考虑如下因素：收发芯片所需的外围元件数量；收发芯片的封装和管脚数；收发功率。本文选用了CC2530芯片。CC2530它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530集成了业界领先的RF收发器，有多种运行模式，各模式之间转换时间十分短，功耗很低，这些特点十分符合本系统靠电池供电的要求[18]。

2.5 主控中心显示

显示电路选取了TFT液晶显示屏，其具有亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳等特点。图6所示为实际监测结果在TFT液晶屏上的显示，初始化设置所有电闸和门为关。当主机接收到从机发送过来的数据后，在液晶屏上实际显示电闸和门的开关状态，“关”则显示黄色字体；“开”则显示红色字体，起警示作用。

图6 主控中心显示效果图

2.6 报警电路

报警电路由蜂鸣器和LED灯两部分组成，在设定时间检测实验室电闸及锁门状态后，若有实验室电闸未断开或门未反锁，则蜂鸣器响，对应LED灯亮。电路原图如图7所示。

图7 报警电路原理图

3 软件设计部分设计与实现

根据系统对测量节点设计要求，软件需要实现对数据的采集和将采集的数据发送到控制主机这两大功能。从机中心包含多个从机节点，各节点负责将传感器采集到的数据上传给单片机，执行单片机下达的指令，发送相应的地址、数据和同步码[19-20]。在通信部分，这些终端节点的程序功能是一致的，其程序设计工作流程如图8所示。

图8 从机中心发送段软件流程

主控中心主要负责接收从机节点发回的数据，在设定的时间段内，主机上电后首先初始化显示屏，然后等待接收数据，判断各从机节点电源开关是否按下，门是否锁上，屏幕显示各实验室的门锁和电源的开关状态。如果在设定的时间内接收到门未上锁或电源未关的信息，报警电路进行报警提示。主机程序设计工作过程流程如图9所示。

图9 主控中心发送段软件流程

4 结 语

基于ZigBee技术的实验室门电安全监控系统结构简单，功耗少，成本低且无需对实验室内部电路网络进行工程改造，安装方便，并能有效监测到实验室门锁和电闸开关状态。利用干电池对各模块控制系统供电，实验室完全断电的情况下仍能正常工作，十分安全。经过多次测试，该系统稳定可靠，可在设定的时间段内准确地监测到实验室电闸以及门锁的关断状态，从而大大提高了实验室的安全管理效率。目前我校物理实验中心的实验室已按照上述系统进行全面升级改造，效果良好。