智能温室监控系统设计(输液监控系统设计)

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(1、中国矿业大学徐海学院、江苏徐州221000； 2、中国石油天然气管道第二工程公司，江苏徐州221000 )

摘要：为了解决目前开放实验室管理的问题，开发了以STM32为控制核心的智能监控系统模型。 该系统采用模块化设计，并通过了实际测试。 该系统可以实现室内温度监测、火灾报警、头像信息采集记录、射频卡录入系统、单片机与手机之间的信息通信、利用动态密码进入实验室以及在触摸屏上显示相关信息。 该智能监控系统新颖实用，能有效提高实验室的管理。

0引言

为了培养大学生的实践指导能力，许多高校实验室已经开放使用，参考文献[1]介绍了开放的实验教学系统，利用刷卡机、管理机、服务器和校园网的开放实验教学管理系统，提高学生的实践能力参照文献[2]，介绍了为实现实验室无管理员状态下的用户和实验设备的监控与记录，利用基于构件和代理的数据采集系统，便于实验设备的维护和实验室导师安排实验课程的开课。 参考文献[3]利用PLC和STM32的智能实验室SCADA系统监测实验室环境。 目前，高校已开放了几个实验室为学生，本文针对开放实验室管理中存在的诸多问题，设计了基于单片机的实验室智能监控系统。

1智能监控系统概述

实验室的智能监控系统包括数据传输和处理、图像监控和存储两部分。 按硬件划分，该系统分为门禁系统、GSM系统、图像采集系统、烟雾检测系统4个子系统。 门禁系统采用射频卡和动态密码两种方式进行认证和解锁，负责校园卡的识别和认证，GSM系统将随机密码发送到实验室管理员的手机。 图像采集系统负责对进入实验室的人进行图像采集和备份。 烟雾探测系统一直监视着实验室内是否发生了火灾。 用微处理器完成整体控制功能，利用总线和串行通信传输信息。 大学实验室智能监控系统的整体结构如图1所示。 主板和从主板相连，完成了整个系统的功能。 单片机处理传感器检测到的信息，并将处理后的内容显示在TFT显示器上。 图1智能监控系统的整体结构图用户可以通过TFT触摸屏选择和查看实验室当前的状态。

2智能监控系统硬件平台

本系统的硬件平台由单片机、TFT屏幕显示、按键、门禁、GSM和摄像头组成。 单片机分为主控制器和从控制器两部分。 主控制器主要连接烟雾传感器、RFID门禁止卡、DS18B20、GSM模块。 从控制器连接OV7670、红外线传感器、SD卡。 主机、从机控制器之间相互连接，分别连接在1个TFT屏幕上。

2.1微处理器

本系统使用的外围设备很多，选择双控制芯片[4]的模式，分为主、从控制器，芯片为STM32F103RBT6。 STM32F103RBT6单片机共有64针，需要合理分配。 主控制器由STM32处理器及其周边电路(TFT屏幕、运行指示灯、电源稳定化)组成； 从控制器为STM32处理器及其周边电路(TFT屏幕、动作指示灯、电源稳定化、SD卡)，主控制器电路如图2所示，从控制器与其相似，在此不做详细说明。

SIM300是一种高度集成双频的GSM模块，具有性能稳定、功耗低的特点。 主控制器生成动态密码，SIM300通过邮件将密码发送到管理员的手机，请求密码，按键输入，从而实现无密钥输入[5]。 本系统设计了SIM300自动启动电路，启动针脚为第34根，容量为330 F/16 V。 使用SIM300的RXD和TXD与单片机模拟的所有串行端口连接，实现数据的交换和命令的发送，原理图的一部分如图3所示。

2.3TFT真彩色2.8英寸触摸屏显示模块

本系统使用的是TFT液晶面板，由ILI9320驱动，以16 bit的并行方式与外部连接。 该模块功耗低，支持8位、16位总线接口，支持模拟I/O控制，在彩色屏幕模块上配置ADS7843触摸控制器，支持一个SD卡，为TFTLCD模块的RST信号线和STM32的复位引脚直接连接，不能通过软件进行复位控制，但可以有效节约芯片上的引脚。 TFTLCD的背光由专用的针脚控制。 因此，总共需要21个I/O端口。

2.4摄像头模块

本系统选用的相机型号为OV7670，为CMOS图像传感器，整体尺寸小，电源电压低，可实现单板VGA相机和视频处理器的功能。 当红外传感器触发了相机模块的工作，实验室门打开时，人体红外传感器一旦检测到有人进入，就会启动相机自动拍照，并将进入的人的照片保存在SD卡中[68]。 OV7670与FIFO连接，数据保存在FIFO中，通过控制器与FIFO端子连接。 OV7670模块搭载了12 MHz的有源石英振子、恒压芯片、FIFO芯片，模块整体和外部的连接通过29两列实现，其控制原理如图4所示。

2.5室内环境监测

温度传感器DS18B20［9］通过单总线的模式与STM32进行数据传输，转换成温度显示在TFT屏上。烟雾传感器MQ2感应到室内烟雾浓度过高时，会自动发送报警信息到管理员手机上。

2.6RFIDMFRC522

MFRC522是一款基于13.56 MHz无线通信的集成度较高的读卡芯片，拥有安全且稳定的秘钥存储器，用于存储 Crypto1 秘钥组。门禁锁通过SPI与主控制器通信，MFRC522［1011］识别已被录入系统内的校园卡或其他IC卡，通过SPI将数据传入主控制器,TFT触摸屏显示校园卡卡号，主控制器进行卡号比对处理后将结果显示在TFT屏上，验证通过即可进入。本系统是通过SPI的方式与MFRC522相连接的，为其提供3.3 V的电压，外接天线实现读卡器与卡片的通信，如图5所示。

实验室智能监控系统的软件可分为主、从控制器、摄像头以及门禁密码锁3个部分，主要由底层驱动程序、系统主程序、显示子程序、串口通信子程序及GSM子程序等部分［12-15］组成。编程语言采用 C 语言进行编写。

当系统上电后，主、从控制器STM32F103RBT6开始进行工作，首先需要对其内部资源及外围模块进行初始化，包括对系统的时钟、GPIO管脚、中断向量、定时器以及串口等进行初始化。然后从EEPROM中读取传感器上下限阈值等固有参数。之后主控制器通过串口发送AT命令到GSM模块对其进行初始化，当初始化成功之后，就会进入主控制的显示界面，然后一直停留在GSM初始化的界面。鉴于篇幅原因，再此就不再详细介绍各模块程序。

4系统测试

本智能监控系统实物模型如图6所示。在此基础上，在实验室环境下分别对主、从控制板、触摸屏模块、DS18B图6智能监控系统硬件实物图20显示、MFRC52等性能进行测试，从其测试效果来看，液晶屏上能显示当时测试温度，

则对比了18B20传感器的测量精度；本系统读卡模块和显示模块正常，而且程序能正确识别IC卡；通过SIM模块测试，能发送动态验证密码来开启门禁系统。从测试结果来看，系统硬件运行良好，从而进一步验证设计的合理性。

5结论

本论文设计了一种以STM32F103RBT6为处理器且简单易行、造价低廉的实验室智能监控系统，并且完成主要功能模块选型以及软件设计和程序调试，实现通过采用手机短信、刷卡方式的门禁系统以及图像采集、火灾报警等功能。今后将在原有系统基础上对模块进行整合，在减小系统的体积及功能完善等方面做进一步工作。

参考文献

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