基于单片机的空气监控系统（基于单片机实验室智能监控系统的设计）

崔吉1，张燕超2,赵军1

（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存在的问题，研制了一个以STM32为控制核心的智能监控系统模型。该系统采用了模块化设计，并通过实际测试。该系统能实现室内温度监测和火灾预警、头像信息采集记录、射频卡门禁系统、单片机与手机之间信息通信、利用动态密码进入实验室及相关信息在触摸屏上显示。该智能监控系统新颖实用，能有效提高实验室管理。

0引言

为了培养在校大学生的实践动手能力，许多高校实验室已开放使用，参考文献［1］介绍了一种开放式的实验教学系统，借助刷卡机、管理机、服务器和校园网络的开放式实验教学管理系统，提高学生动手实践能力，因材施教。参考文献［2］介绍了一种利用构件和基于Agent的数据采集系统来实现对实验室在无管理员的状态下对使用人员和实验设备的监控和记录，便于实验设备的维护和实验室领导对实验课程开课安排。参考文献［3］利用PLC和STM32的智能实验室SCADA系统来监控实验室环境。目前高校开放一些实验室供学生使用，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

实验室智能监控系统包括数据传输与处理和图像监控与存储两个方面。根据硬件不同，本系统分成4个子系统：门禁系统、GSM系统、图像采集系统、烟雾感应系统。门禁系统采用射频卡和动态密码两种方式进行身份认证和开锁，负责校园卡的识别与认证，GSM系统发送随机密码到实验室管理员手机。图像采集系统负责对进入实验室内的人员进行图像采集和备份。烟雾感应系统时刻监视实验室内是否有火灾发生。通过微处理器完成整体控制功能，利用总线及串口通信传输信息。高校实验室智能监控系统的整体结构如图1所示。主控制板和从控制板联系在一起，完成了整个系统的功能。单片机芯片处理传感器检测的信息，并将处理后的内容在TFT显示屏上显示。图1智能监控系统整体结构图用户可通过TFT触摸屏来选择查看实验室当前状态。

2智能监控系统硬件平台

本系统的硬件平台由单片机芯片、TFT屏显示、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。主控制器主要连接烟雾传感器、RFID门禁卡、DS18B20、GSM模块。从控制器连接OV7670、红外传感器、SD卡。主、从控制器之间相互连接且分别连接一个TFT屏。

2.1微处理器

本系统所用外设较多，选用了双控制芯片［4］的模式，分为主、从控制器，芯片为STM32F103RBT6。STM32F103RBT6单片机共有64个引脚，需要合理分配。主控制器由STM32处理器及其外围电路（TFT屏、运行指示灯、电源稳压）组成；从控制器由STM32处理器及其外围电路（TFT屏、运行指示灯、电源稳压、SD卡）组成,主控制器电路如图2所示，从控制器与其类似，在此不再详述。

SIM300是一款双频高度集成的GSM模块，具有性能稳定、功耗低的特点。主控制器产生动态密码，SIM300将密码以短信的方式发送至管理员手机，通过索取密码、按键输入实现无钥匙进入实验室［5］。本系统设计了SIM300自动开机电路，开机引脚为第34脚，电容为330 μF/16 V。使用SIM300的RXD和TXD与单片机模拟的全串口相连，实现数据的交换和指令的发送，部分原理图如图3所示。

2.3TFT真彩2.8英寸触摸屏显示模块

本系统使用的是TFT液晶屏，由ILI9320驱动，采用16 bit的并行方式与外部连接。该模块功耗低,支持8 bit、16 bit总线接口,模拟I/O控制，彩屏模块上配置ADS7843触摸控制器,支持一个SD卡（SPI方式），支持一个SPI的Data Flash,构成人机交互图形界面。设计时TFTLCD模块的RST信号线与STM32的复位脚是直接相连的，虽无法通过软件方式进行复位控制，但可以有效节约芯片上的引脚。TFTLCD的背光是由专门一个的引脚进行控制的。因此总共需要21个I/O口。

2.4摄像头模块

本系统选用的摄像头型号为OV7670，CMOS图像传感器，整体尺寸较小，供电电压低，能实现单盘VGA摄像头和影像处理器的功能。由红外检测传感器触发摄像头模块工作，当实验室门打开时，人体红外感应器一旦感应到有人员进入就会启动摄像头自动拍照并将进入者的照片保存在SD卡上［68］。OV7670与FIFO相连，数据保存在FIFO中，从控制器与FIFO引脚相连。OV7670模块自带了12 MHz的有源晶振、稳压芯片和FIFO芯片，整个模块与外部的连接是通过2X9双排实现的，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

［1］ 杨碧石，束慧.开放式实验教学系统的建设与探索［J］.实验室研究与探索，2008,27(10):166169.

2］ 步春媛，徐大华.智能实验室监控系统的设计［J］.实验技术与管理，2004,24（7）:145147.

［3］ 吴大中,宋俊飞.实验室智能监控系统设计［J］.电子技术应用,2014,40(3):120122.

［4］ 刘炜,毛建鑫,梁磊，等.一种基于ARM的集中器的硬件实现［J］.电子技术应用,2014,40(1):8689.

［5］ 朱利洋,吴夏来,胡叶民，等.基于单片机的门控系统硬件设计［J］.微型机与应用,2013,32(2):1618.

［6］ 杨海科,张建奇.基于S3C6410平台的RFID手持终端的设计与实现［J］.电子技术应用,2014,40(1):2022.

［7］ 王晗，李翔，李忠敏，等. 基于OV7670的图像采集与显示设计［J］. 中国科技信息，2013（11）：9091.

［8］ 姜兆瑞,姚素英,高静,等.应用于CMOS图像传感器的低功耗电容缩减循环ADC［J］.电子技术应用,2014,40(2):3941,45.

［9］ 陈力刚,郅红魁，张荣献，等. 单总线器件18B20开发实例［J］. 山西地震，2013(1)：3537.

［10］ 黄俊祥，陶维青. 基于MFRC522的RFID读卡器模块设计［J］. 微型机与应用，2010，29(22)：7072.

［11］ 朱炳瑞. 基于RFID的单片机系统设计［J］. 电子世界，2013(1)：129130.

［12］ Zou Zhenyu, Li Kejun, Li Ruzhen,et al. Smart home system based on IPv6 and ZigBee technology［J］.Procedia Engineering, 2011,15(11)：15291533.

［13］ Wu Yi, Wu Tong, Liu Pai,et al. Smart home system based on ZigBee and ARM［j］. IEEE Intrnational Cowperence on Electronic Measurement & Instruments, ICEMI, 2013,2：754759.

［14］ ALLWORTH S T. Introduction to realtime software design［M］. New York :SpringerVerlage, 1981.

［15］ 郭振华.实验室智能监控系统的设计与实现［D］.沈阳：东北大学，2009.

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