基于扁平化指挥的智能实验室安全监控系统设计

0 引 言

安全监控系统最初被用来监控大型仪器工作状态，系统与一体化面板连接，遇到突发状况后，一体化面板会直接操作[1]。近年来，随着监控一体化技术的发展，各种类型的监控手段不断被提出，安全监控也在传统的一体化技术上加入了通信技术，利用计算机控制系统同时监控设备和环境，具有实时性[2]。目前，很多学校的实验室里都配备了安全监控系统，记录实验室设备的状态参数，以及所处环境的温度参数，再借助计算机中心系统进行管理操作[3]。

传统的安全监控系统虽然具备一定的监控能力，但是层级过多，监控结果要经过一段时间才能传给中心系统，中心系统从多个指挥点下发命令，系统在同一时间内难以执行。传统的监控系统得到的内容多是数据内容，以表格或者图像的方式传递给工作人员，缺少直观性，很多关键信息难以在第一时间被工作人员查询到[4]。

综上所述，本文引入扁平化指挥体系设计实验室安全监控系统，使监控系统的层级大大减少，指挥中心可以直接指挥监控系统，并快速反映出监控结果。利用扁平化体系设计的智能实验室安全监控系统对于环境有着很强的适应能力，实时性高、可靠性强、测量范围广，通过视频监控的方式记录监控内容，使监控效果更加清晰，工作人员可以更加直观地了解到需要了解的内容，查询到实验室内部的整体环境，以便于下发管理策略。

1 智能实验室安全监控系统硬件设计

为简化监控系统操作过程，避免环节过多而导致的信息外泄，本文基于扁平化指挥设计的智能实验室安全监控系统硬件共分为三个模块，分别为:信息采集模块、通信模块和主控模块，每个模块选用不同的芯片，利用不同的电路连接。

设计的智能实验室安全监控系统硬件结构如图1所示。

图1 智能实验室安全监控系统硬件结构

观察图1可知，基于扁平化智慧设计的实验室安全监控系统的数据采集终端共有4个:传感器模块、控制器模块、GPRS无线模块以及电源模块。分模块的设计方案使系统在监控时更加有针对性，延展能力和扩展能力更强。

传感器探测的实验室参数主要有3个:门磁开关、实验室温度、是否存在烟雾[5]。利用GPRS无线传输模块传输传感器采集到的各种信息，再通过单片机控制监控系统。系统采用统一的电源提供电量，电压为12 V，电量在传输到各个芯片之前会经过电压转换，防止电压过高，损伤芯片[6]。

1.1 信息采集模块设计

本文设计的智能实验室安全监控系统内部拥有多个传感器，能够很好地采集信号，具备实时性。本文仅针对门磁传感器和温度传感器做详细研究。

门磁开关传感器负责报警系统，当实验室不使用时，该传感器就会启动工作，实时探测是否有外界人员入侵，一旦发现存在外界人员入侵，传感器会立刻发出警报声，并通过短信与实验室的管理员联系[7]。

门磁传感器内部结构如图2所示。

观察图2可知，由于本文设计的安全监控系统占地面积很小，所以门磁开关传感器外形尺寸[8]也对应减小，为70 mm×35 mm×11 mm。传感器能够发射30 mW的功率，在工作时需要的电流为10 mA，需要的电压为12 V，内部选用的电池为A23，该电池为报警专用电池，工作频率为315 MHz，门磁开关内部同时拥有编码芯片PT2262和解码芯片PT2272。

图2 门磁传感器结构

在设计出门磁传感器后，设计温度传感器，通过温度传感器分析环境问题，如果实验室出现火灾，温度传感器也能够起到报警作用。选用的温感器件为AD590，不仅能够测量摄氏温度，同时，能够测量热力学温度。AD590体积很小，线性度好，测量时工作状态稳定，测量范围为-50～150℃，测量误差[9]仅为0.2℃。经过AD590传感器的电压要控制在4～30 V之间，允许的电压变化范围为4～6 V，AD590能够承受的正向电压为44 V，负向电压为20 V，即使器件被反接，也不会损坏。测量档位共有5挡，记录成A，B，C，D，E，精确度极高。

测温电路如图3所示。

图3 AD590测温电路图

观察图3可知，测温电路的主要功能是将得到的电流参数转换成电压参数。其中，AD590作为电流输出元件，温度升高1 K，电流就会增加1 μA。测温电路中加入了3个放大器，每经过一次放大，就会得到一个新的电压值，通过LED显示温度变化结果[10]。

1.2 GPRS模块设计

本文选用的微处理器为MCS-51，该处理器成本低，性能好，操作灵活，能够使系统硬件更加稳定可靠。MCS-51微处理器内部选用的芯片为AT89S52芯片，该芯片为Atmel公司生产，选用的技术为高密度存储技术，能够与单片机很好兼容。擦写周期高达1 000次，加密程序分为3级，系统硬件的操作方式为静态操作，工作频率为0～33 Hz，芯片内部拥有14个可编程的I/O口线，2个串行通道，3个定时器和5个18位计时器，同时加入2个数据指针，提高精度。当芯片不工作时，会自动进入低功耗的休眠模式，休眠模式提供的电流[11]为2.5 mA。

GPRS模块结构如图4所示。

图4 GPRS模块结构

观察图4可知，设计的GPRS模块采用的结构为哈佛结构，在存储程序和数据时彼此分开，存储的数据量最高可达到64 KB，每个字节都有对应的地址。寻址方式为先外部后内部。存储模块内部键入晶体振荡器，作为时钟电路核心部件，能够为单片机提供必要的时序控制[12]。

1.3 电源模块设计

由于电路在设计时会产生阻抗，使线路中电压不稳定，所以本文在设计电源模块时，线路尽量加宽，使电压更加稳定。

本文设计的电源电路图如图5所示。

图5 电源电路图

由于电路在输入时还会存在静电和脉冲，因此，输入的电路要具备抗浪涌、抗脉冲差模干扰的能力。模块在发射时，设定峰值功率为7～8 W，设定峰值电流为2 A。在设计电源电路时，要特别考虑电源功率，同时，串入感性器件，使电源电路的抗干扰能力更强。但电源内部的电池与系统的模块不能串联其他器件，防止其他器件影响电池[13]。在电路的客户端口加入PCB板，因此，电路的电源线要走最外层，便于PCB板散热。

图5中的电源电路还加入了TVS管，提高系统对静电的抑制能力，并加快响应速度，使系统电源电路的响应速度达到ns级。系统开启电压不同，选择的TVS管也不同，通常TVS管不能超过电源电压1～2 V，如果超过这一值，TVS管的抑制效果会大大降低。

2 智能实验室安全监控系统软件设计

基于扁平化指挥设计的智能实验室安全监控系统能够直接对数据进行监控，有效提高监控过程的稳定性以及监控结果的可靠性。为使系统更加完善，本文根据设计的硬件结构对软件模块进行设计，主要设计了驱动模块和视频监控模块。

2.1 驱动程序设计

驱动模块主要负责两方面工作:控制监控系统电源；在数据进行交换时，起到保护作用。

为了确保驱动模块能够始终处于工作状态，本文设计了两种启动模式:第一种启动模式为按键启动；第二种启动模式为时钟启动。通常情况下会选择第一种模式，但是如果第一种启动模式难以启动软件程序，则要选择第二种模式。

驱动模块程序工作流程如图6所示。

图6 驱动程序流程图

观察图6可知，系统在经过上电复位之后，会同时进行两个步骤，分别是系统初始化和软件复位处理，在测试系统工作正常后，驱动程序的键盘才能显示中断。键盘中断之后，判断系统数据是否符合标准，如果监控的数据不符合标准，报警设备则会发出警报声，提醒工作人员；如果监控到的数据符合标准，则监控系统会自动对数据进行处理，并且将处理的结果显示在LED屏上。

2.2 视频监控程序设计

相较于传统的监控系统，本文在软件程序中加入了视频监控程序，通过视频监控来保障监控结果的精准性。每个视频客户端都会设定相应的IP地址和端口地址，方便工作人员查找，同时，在程序内部加入GSM调试助手，进行必要的调解工作。需要特别指出的是，端口号和客户端必须要保持一致。监控程序界面如图7所示。

图7 监控程序界面

3 验证实验

3.1 实验目的

为了检测本文基于扁平化指挥的智能实验室安全监控系统的实际效果，与传统监控系统进行了对比，分析实验结果。

3.2 实验参数设置

设置实验参数如表1所示。

表1 实验参数

3.3 实验结果与分析

根据上述参数进行实验，选用本文研究的基于扁平化指挥的智能实验室安全监控系统和传统监控系统，同时对同一个实验室进行安全监控，记录温度异常检测响应时间、烟雾异常检测响应时间，根据得到的结果对两种系统的性能进行具体分析。

得到的实验结果如图8，图9所示。观察图8可知，随着实验室异常温度的增加，传统监控系统和本文研究的监控系统响应时间都会有所减少，但是传统系统的响应时间始终多于本文研究的系统。当异常温度为0.1℃时，传统监控系统需要0.9 ms能够检测到，本文系统需要0.8 ms能够检测到，这种差距到了后期愈加明显；当异常温度达到0.9℃时，传统监控系统需要花费0.5 ms才能检测到，而本文系统仅花费0.05 ms就可以检测到监控结果，大大提高了系统的安全性。

图8 温度异常响应时间对比图

图9 烟雾浓度异常响应时间对比图

观察图9可知:当烟雾异常浓度为1%LEL时，传统监控系统的响应时间为0.9 ms，本文系统的响应时间为0.4 ms；当烟雾异常浓度为3%LEL时，传统监控系统的响应时间为0.45 ms，本文系统的响应时间为0.13 ms；当烟雾异常浓度为5%LEL时，传统监控系统的响应时间为0.2 ms，本文系统的响应时间为0.03 ms。由此可见，本文研究的系统响应时间很短，实验室一旦出现安全隐患，该系统能够立即监控出来，并且发出警报声，提醒工作人员第一时间采取解决办法。

3.4 实验结论

根据上述实验结果得到如下实验结论:相较于传统安全监控系统，本文研究的基于扁平化指挥体系的智能实验室安全监控系统同时具备信息采集功能、信息处理功能、监督功能、管理功能和控制功能。能够对监控过程产生的各种实时信息进行采集，通过预处理以新的采样形式输出，确保工作人员通过监控系统得到的数据都是准确的数据，监控系统能够自动分离、分析、归纳得到的数据，筛选掉无用数据，存储有用数据。本文研究的系统还增设了报警设备，一旦监控到异常现象，系统就会自动发出警报声，提醒工作人员迅速采取措施解决异常。对于常规操作，本文设定的系统具备控制能力，可在允许的范围内对各项设备参数进行调解。

4 结 语

本文利用的主要体系为扁平化指挥体系，在安全监控系统终端加入了传感器技术，针对实验室设计了有效的监控方案。通过引入现代化的通信方式提高监控技术的智能性，加入单片机AT89S52和GPRS模块对硬件进行开发，根据得到的硬件系统开发各项软件模块。

该系统在实验室安全监控领域有着很强的优势，但是也具备一定的局限性:选用的单片机为8位单片机，作为监控终端处理能力有限；网络传输速率与理论值存在一定差异；加入TCP协议后，监控的数据量增多；缺少有效的数据库。未来在设计和研究时，应该根据实际需求对上述几个问题进行修正处理。