摘要：针对实验室重大设备安全管理工作中需要投入大量人力、物力，且管理成本高等缺点，设计并研制了基于云平台的智能实验室重大设备安全管理系统。系统采用单片机和多种传感器采集实验环境数据，然后将这些数据通过NB-IOT无线模块上传至云平台，云平台将数据传到实验室管理人员的手机上，实验室管理人员可以通过手机实时了解实验环境参数和实验设备设备运行状况，并对实验室电源等设备进行远程控制。实验表明，设计的装置具有性价比高、功耗低、实时性好、操作简洁的特点，能有效预防和减少实验室安全事故。
关键词：云平台；安全管理；NB-IOT；射频识别
0引言
随着物联网和智能控制技术的发展和人们对智能化管理的重视，基于物联网和云平台的智能化电子产品逐渐应用在我们的生活、工作和学习中。高校的实验室是大学老师和学生进行科研和学习的重要场所，其重要性和安全性也倍受到社会关注。高校是实验室相对集中的地方，实验室数量大、仪器种类和数量繁多。随着近几年许多高校的发展和规模的扩大，实验室数量和种类也在逐年增加，实验室管理者工作量也逐渐增大，传统的实验室管理方法已无法满足现有的实验室安全管理要求，如何研究并设计一种网络化智能实验室安全管理系统非常有必要。为了保障实验室安全运行，本文研制了基于云平台的智能实验室重大设备安全管理系统，能满足现代实验室安全管理的需求。
1系统总体方案设计
本系统采用模块化设计方案[1-2]，系统硬件主要由STM32单片机最小控制系统模块、火灾检测模块、RFID射频识别模块、温湿度检测模块、NB-IOT模块等构成。软件主要包括单片机控制程序、手机端App程序、云平台配置程序等[3-4]。基于云平台的智能实验室重大设备安全管理系统对实验室的温湿度、火灾情况、人员进出情况等数据进行监测，并将数据上传到云平台，实验室管理人员可以随时通过手机App实时了解实验室安全状况，并及时做出处理。系统的总体方案框如图1所示。系统软件部分采用KeiluVision5和Javaeclipse进行编写，App界面包括用户注册功能、采集数据实时显示功能、历史数据查询功能等。数据信息发送过程为：（1）传感器采集实验室环境数据，送到单片机；（2）单片机将数据进行分类存储，并送到NB-IOT模块；（3）NB-IOT模块通过COAP协议和云平台交互数据；（4）云平台实时刷新并转发数据。
2系统硬件电路设计
系统硬件电路包括单片机最小系统、液晶显示模块、RFID射频模块、蜂鸣器模块及烟雾报警模块。RFID电子标签里记载着进出实验室人员的相关信息，通过RFID射频模块识别来自射频单元的信息并加以处理。RFID射频模块将进出实验室人员信息发送至单片机[5-6]。传感器系统实现对实验环境的检查，判断实验室的环境指数是否正常，如果不正常时将进行报警，并反馈给实验室管理员，以便实验室管理员及时处理，这样能极大程度地减少意外事件的发生，减少实验室设备等财产的损失。实验室的环境指数通过云平台可以达到信息可视化且随时可以查看实验室的信息。
2.1STM32单片机最小控制系统电路设计
本系统以STM32F103C8T6C8T6单片机作为整个硬件电路的控制核心。该单片机片内资源丰富、存储容量大、主频高、价格便宜。STM32F103C8T6单片机开发方便简单，内部集成有ADC、DAC、FLash存储器等资源。最小系统电路采用8MHz晶振提供主时钟，32.768kHz晶振提供实时时钟。本设计中利用STM32F103C8T6单片机对传感器采集到的数据进行处理后，将数据通过NB-IOT无线模块发送到云平台。
2.2传感器检测电路设计
传感器的功能主要是检测实验室环境参数，送入单片机处理后向平台提供准确、实时信息，便于实验室管理人员对实验室情况做出准确判断。本文中传感器检测电路包括温湿度检测电路和烟雾浓度检测电路。采用DHT11数字传感器检测温度和湿度，DHT11内部已校准，只有4个引脚，接线简单，1号引脚接3.3V，2号脚接单片机的I/O口PA3，3号脚悬空，4号脚接地。摄氏温度测量范围：0~50℃；摄氏温度测量精度：±1~±2℃；相对湿度测量范围：20%~90%RH；相对湿度测量精度：±2%~±5%RH，测量范围和进度符合本设计的要求。DHT11输出的是数字量，送到STM32F103C8T6后，需要经过变换，才能得到实际温湿度值。MQ-2传感器是一种半导体可燃气体敏感元件[7-8]。如果可燃气体浓度增加，MQ-2的电导率也会增加，电路主要由MQ-2传感器、信号前置放大电路、模数转换电路构成。火灾检测电路输出的是模拟量，接到单片机的PB0引脚，经过单片机ADC转换可以得到气体浓度值。本电路电源部分采用+5V电压供电。烟雾浓度检测电路如图2所示。
2.3RFID射频识别电路设计
本设计中射频识别芯片采用MFRC522，MFRC522是3.3V电源供电的低功耗芯片，利用电磁感应识别信息，并进行数据通信，电路简单，体积小，性价比高，在本设计中的作用是检测实验室人员进出情况。MFRC522通过SPI串口和单片机连接，本设计中MFRC522的MISO、MOSI、SCK、SDA引脚分别接到单片机的PA4、PA5、PA6、PA7引脚相连。RFID检测电路如图3所示。
2.4NB-IOT模块电路设计
NB-IOT具有功耗低、应用范围广等特点。本设计中NB-IOT节点采用上海移远公司的BC26模块，BC26模上提供有UART、SPI等多种串行通信接口，支持TCP、COAP、MQTT等多种通信协议，能方便使用者二次开发，在上面实现数据远程传输。本设计中采用COAP通信协议方式传输数据，单片机采集数据，并进行处理后，数据通过串口发送到BC26模块。BC26模块将数据传送到华为OceanConnect物联网云平台[9-10]，接收到的数据经过分类存储、管理后，用户可以通过手机App查询云平台的数据信息。BC26模块与STM32F103C8T6单片机通过UART串口连接，NB-IOT传输数据采用透明传输方式。BC26模块接口电路如图4所示。
2.5电源电路设计
为了保证系统在突然断电情况下仍然能够持续稳定运行，本系统采用市电220V供电和锂电池供电两套方案。主电源由一个220V转5V的开关电源提供，开关电源输出的+5V电压分成两路，一路给单片机接口电路供电，如给小型继电器模块、NB-IOT模块供电，另一路采用LM1117-3.3芯片转换为+3.3V给单片机控制板供电。备用电源由一块3.7V锂电池提供电能，包括升压电路部分和稳压电路两部分。锂电池升压电路采用TPS63020作为电压控制芯片，TPS63020芯片输入电压为1.8~5.5V，具有自动升降压功能能，保证输出电压值稳定。TPS63020电源电路最大输出电流可以达到2A，可以根据输入自动升高电源或降低电压，静态电流小于50μA，电路具有体积小、供电稳定等优点。
3系统软件设计
本系统软件采用采用自顶向下的设计方式实现。软件分为App界面设计部分和采集数据管理设计部分。App界面设计部分分为登录部分和用户注册部分，采集数据管理部分包括实时数据查询部分和历史数据查询部分。各数据采集节点的通信程序是本系统的软件部分设计的核心内容，本设计的通信协议采用COAP。COAP是物联网中常用的一种web协议，协议包长度最小长度只有4Byte。COAP协议通过消息的方式发送或接收数据。COAP协议支持可靠数据传输，通信双方通过确认传输的数据是否正确，如果错误就重传，采用这种方式来确保数据是否传输正确，数据传输误码率低，因此，COAP协议非常适合作为本系统的通信协议。NB-IOT模块上电后，STM32单片机通过串口发送命令的方式对NB-IOT模块进行配置，发送“AT+NRB”指令让NB-IOT模块初始化；发送AT+CFUN指令判断卡电路连接是否工作正常；发送“AT+CSQ”指令查询NB-IOT模块信号的强度，执行该指令后，NB-IOT模块会返回一个表示信号强度的参数，如果参数值在0～31，表示有信号，数值越大，信号越强，如果返回值为99，表示无信号；发送“AT+CGATT”指令查询是否附着基站。如果能达到这些要求，NB-IOT模块开始进行数据传输。NB-IOT模块入网流程如图5所示。水前液位在25%～18%之间时，根据公式M1=(21.264L1-355.21)×C1得出的结果比实际值要小。由于C1与C2浓度不一定相同，导致计算出来的进料箱补水后的进料浓度不能真实反映当前实际的进料浓度。以此选择的进料速率和进料点也是不准确的，进而影响升级效果。而当液位大于25%时将不会产生影响。所以在重水升级塔日常的补水操作时尽量在25%液位附近补水。这样可以保证最后计算出来的进料浓度的准确性。从而选择准确的进料流量、进料点和顶部出料流量。
4结束语
综上所述，为避免重水升级塔正常运行时底部产物浓度降低的问题，通过分析得知：在常规取样操作时严格按照要求，充分循环，保证样品的质量；升级塔进料箱日常的补水操作时尽量选择在25%附近补水。这样能保证最后计算出来的进料浓度的准确性。从而选择准确的进料点和顶部出料流量；制定重水升级塔的预防性维修，及时消除隐患。如果出现升级塔底部产物重水浓度降低时，首先检查进料流量是否稳定，否则提出检修申请；其次在进料流量正常的情况下，增加底部产物箱电导的分析，判断是否有泄漏导致的轻水进入塔内；最后制定好预维计划，做好升级塔系统的预防性检查维修工作。将隐患消除于无形。
参考文献：
[1]宋刚.重水升级系统设计改进及运行优化的探讨和实践[J].中国核工业,2010(6):151-156.
[2]朱保国.压力容器设计知识[M].北京:化学工业出版社,2016.
作者：邓鹏 单位：荆楚理工学院 电子信息工程学院
