導語： STM32實驗室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為保證實驗室人員的人身和財產(chǎn)安全，設計了實驗室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由服務端、設備端、客戶端構成。服務端可劃分為前置服務器和后置服務器；設備端選取stm32F103ZET6作為核心處理器，通過ESP8266無線傳輸模塊實現(xiàn)溫濕度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器數(shù)據(jù)上傳；客戶端采用Qt實現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理功能、實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能、傳感器歷史數(shù)據(jù)查看功能。通過測試，在網(wǎng)絡節(jié)點范圍內(nèi)可以對數(shù)據(jù)進行高效采集并傳輸至云服務器，每30s對客戶端的傳感器數(shù)據(jù)進行更新。用戶可以通過客戶端遠距離查看實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠更加快捷地發(fā)現(xiàn)實驗室出現(xiàn)的各種安全問題。

關鍵詞：實驗室；安全監(jiān)控系統(tǒng)；服務器；傳感器；客戶端；STM32

近年來，隨著信息管理水平的迅速提高，傳統(tǒng)的實驗室管理模式已不能滿足實際需要[1]。傳統(tǒng)的高校實驗室環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)無法得到統(tǒng)一的信息化監(jiān)管，實驗室的物理環(huán)境仍需要依靠人工管理，消耗了很多人力和物力[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，云服務器、網(wǎng)絡技術使得環(huán)境數(shù)據(jù)收集有了更好的設計方案。本文將基于云服務器、網(wǎng)絡通信技術、STM32嵌入式技術等對實驗室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。本系統(tǒng)共分成三個模塊：云服務端模塊、客戶端模塊、設備端模塊。云服務端可劃分為前置服務器和后置服務器[3]。前置服務器用于對設備端、客戶端的數(shù)據(jù)進行提取分析，后置服務器用于提取和更新SQLite3數(shù)據(jù)庫[4]的內(nèi)容。設備端使用STM32F103ZET6[5]作為核心處理器，采用DHT11溫濕度傳感器[6]采集溫濕度、MQ-2煙霧傳感器[7]采集煙霧數(shù)值、MQ-7一氧化碳傳感器[8]采集有毒氣體數(shù)值，通過ESP8266無線傳輸模塊[9]將三個環(huán)境傳感器檢測到的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)上傳?？蛻舳诉\用Qt5.10.1作為開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理功能、環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能、傳感器歷史數(shù)據(jù)查看功能。本系統(tǒng)每30s對客戶端的傳感器數(shù)據(jù)進行實時更新，且用戶可以遠距離查看實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1實驗室監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由服務端、設備端、客戶端構成，系統(tǒng)總設計框圖如圖1所示。本系統(tǒng)服務端是建立在云平臺的，可劃分為前置服務器和后置服務器。前置服務器[10]采用EpollSocket技術、線程池技術、IPC通信技術、TCP通信技術等，用于對設備端、客戶端的數(shù)據(jù)進行提取分析。后置服務器主要負責業(yè)務處理，用于提取和更新SQLite3數(shù)據(jù)庫內(nèi)容并實時保存。兩個子服務器之間以共享內(nèi)存作為進程間通信工具。本系統(tǒng)客戶端使用Qt5.10.1界面開發(fā)軟件作為開發(fā)環(huán)境，用于與服務器進行通信，獲取云端服務器數(shù)據(jù)庫內(nèi)容；采用MVC[12]框架實現(xiàn)登錄注冊、獲取傳感器實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等功能。本系統(tǒng)設備端是以HMI串口觸摸屏[13]作為主控制器，用戶可以查看HMI串口觸摸屏所顯示的實時傳感器數(shù)據(jù)。設備端以單片機STM32F103ZET6芯片作為中央處理器，主控制器與中央處理器之間的通信靠USART串口完成。環(huán)境數(shù)據(jù)由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器監(jiān)測。無線通信系統(tǒng)由ESP8266WiFi模塊構成。

2系統(tǒng)服務端設計

本系統(tǒng)前置服務器負責設備端和Qt客戶端之間的TCPSocket[14]通信。通過EpollSocket的I/O復用實現(xiàn)對客戶端、設備端的連接通信對應的Socket套接字進行保存。前置服務器封裝的線程池模塊負責對接收到的數(shù)據(jù)包進行解析，并存入共享內(nèi)存，同時監(jiān)聽并接收后置服務器對業(yè)務處理完畢后所寫入共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)服務器選用的IPC通信工具是共享內(nèi)存。本系統(tǒng)云服務器將共享內(nèi)存區(qū)按照結構體大小的1000倍進行創(chuàng)建，劃分成1000個塊結構體，其中共享內(nèi)存首地址Shm_addr指針作為共享內(nèi)存判斷的起始點。本服務器會開辟一個線程用于判斷共享內(nèi)存起始點內(nèi)是否為空，倘若為空則不讀取數(shù)據(jù)；如果判斷索引內(nèi)容為有效數(shù)值，則提取出來跳入下一個結構體塊循環(huán)執(zhí)行，直到下一個塊為空。共享內(nèi)存可以存儲1000個結構體，在全部接收完畢之后會將其清空，保證下一次前置服務器和后置服務器之間的交互能夠正常運行。共享內(nèi)存存儲方式如圖2所示。圖2共享內(nèi)存存儲方式本系統(tǒng)的后置服務器負責對SQLite3數(shù)據(jù)庫信息進行提取和更新。封裝線程池對各個業(yè)務對應的共享內(nèi)存提取數(shù)據(jù)并進行增刪改查的操作。后置服務器結構如圖3所示，后置服務器也會使用共享內(nèi)存與前置服務器進行IPC通信。在后置服務器結束當前對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取和更新后，會向前置服務器提供其所需要的內(nèi)容。前置服務器共有以下三個功能模塊：（1）讀取業(yè)務包：讀取共享內(nèi)存中的業(yè)務包。（2）業(yè)務回調(diào)函數(shù)：根據(jù)業(yè)務包的類型，進行相應的業(yè)務處理。（3）數(shù)據(jù)庫函數(shù)：根據(jù)業(yè)務的需要對數(shù)據(jù)庫進行讀寫訪問。本系統(tǒng)使用的是SQLite數(shù)據(jù)庫，通過后置服務器管理User_Info和Sensor_Info兩個表格。用戶在執(zhí)行登錄注冊模塊時后置服務器將會對User_Info表進行是否存在用戶的判斷或者添加。用戶在獲取實時傳感器數(shù)據(jù)和讀取歷史傳感器數(shù)據(jù)時后置服務器將會對Sensor_Info表進行讀取和存儲操作。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中關于用戶數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)表結構如圖4所示。

3系統(tǒng)設備端設計

本系統(tǒng)采用單片機STM32F103ZET6芯片作為設備端的中央核心處理器，該芯片的兩個USART接口分別與HMI電容串口觸摸屏、ATK-ESP8266無線通信模塊連接，以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。通過DTH11溫濕度模塊的Data引腳與PB6引腳相連，完成單片機與溫濕度模塊的檢測數(shù)據(jù)交互。圖3后置服務器結構圖4數(shù)據(jù)庫表結構本系統(tǒng)終端節(jié)點硬件設計采用了DHT11模塊采集溫濕度數(shù)值、MQ-2模塊采集煙霧數(shù)值、MQ-7模塊采集一氧化碳數(shù)值以及HMI顯示屏顯示傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。DHT11傳感器包括電阻式濕敏元件和測溫元件，將STM32F103ZET6的PG_11引腳與DHT11芯片的DATA引腳相連接。DHT11接3.3V的電壓，GND接地，NC懸空。上電后，DHT11采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過DATA口進行數(shù)據(jù)傳輸，PG_11口負責接收數(shù)據(jù)，由此完成對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集。DHT11模塊原理如圖5所示。圖5DHT11模塊原理本系統(tǒng)采用的MQ-2煙霧傳感器的AO引腳與STM32F103ZET6的PA_1口相連，通過STM32的ADC模數(shù)轉換測得實際值。MQ-2傳感器模塊的輸出方式分別為數(shù)字量和模擬量輸出方式。原理如圖6所示。圖6MQ-2模塊原理本系統(tǒng)采用的MQ-7一氧化碳傳感器的AO引腳與STM32F103ZET6的PA_0口相連，原理如圖7所示。圖7MQ-7模塊原理無線模塊ESP8266共有AP、STA、AP+ASP三種模式。本系統(tǒng)采用STA模式，將設備端作為單個客戶端，使用AT指令連接手機熱點和云服務器，實現(xiàn)了設備端與云服務器之間的通信。本設計使用的顯示器采用的是TJC3224K024_011型HMI電容串口觸摸屏，HMI電容串口觸摸屏的RXD引腳、TXD引腳與單片機STM32F103ZET6芯片的USART2串口相連，實現(xiàn)了單片機與HMI顯示屏的數(shù)據(jù)通信。

4系統(tǒng)客戶端設計

本系統(tǒng)客戶端是查看傳感器采集信息的應用程序，采用MVC框架，使用Qt、C++語言編寫。

4.1Qt登錄注冊功能模塊

本系統(tǒng)客戶端登錄注冊功能是對數(shù)據(jù)庫的User_info表進行操作，User_info表結構見表1所列。當點擊登錄的時候，客戶端會發(fā)送此時所輸入的登錄賬號和密碼給服務器，服務器通過與服務器內(nèi)部的User_info表進行比對，若查詢到相同的結構，說明此用戶是存在的，則同意該客戶端進行登錄。

4.2Qt傳感器數(shù)據(jù)查詢顯示模塊

本系統(tǒng)客戶端傳感器數(shù)據(jù)查詢共分為兩個功能模塊：（1）用Qlabel類顯示接收到的傳感器監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)；（2）通過QListWidget和QListWidgetItem的配合實現(xiàn)傳感器監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)的查看功能。用戶可以選擇日期并查看當天所記錄的數(shù)據(jù)。本功能是對數(shù)據(jù)庫的SenSor_Num表進行操作，SenSor_Num表格式見表2所列。當?shù)卿洺晒螅蛻舳藭盏絹碜苑掌鞯漠斍皞鞲衅鲾?shù)據(jù)顯示包；并且每30s就會再次收到傳感器數(shù)據(jù)包更新后客戶端界面顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時會把這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)客戶端歷史數(shù)據(jù)查看功能。

5系統(tǒng)設計調(diào)試

5.1硬件測試

將DHT11模塊、MQ-7模塊、MQ-2模塊分別與STM32F103ZET6的PG_11、PA_1、PA_0連接，使用FlyMCU完成程序調(diào)試和下載后，給模組上電。通過HMI模塊顯示屏可看到各項測試結果分別如圖8、圖9、圖10所示。圖8溫濕度數(shù)據(jù)顯示圖9煙霧指數(shù)顯示圖10一氧化碳指數(shù)顯示

5.2軟件測試

當用戶選擇查看日期時，前置服務器會收到數(shù)據(jù)包并進行解析。如圖11（a）所示，前置服務器顯示用戶想要查看的日期為2021年4月13號當天所采集的傳感器數(shù)據(jù)信息；將此信息寫入共享內(nèi)存，供后置服務器讀取該結構體信息；在后置服務器完成一系列操作后，將會收到關于后置服務器提取數(shù)據(jù)庫信息的結果。用戶選擇查看日期后后置服務器提取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)并進行解析。如圖11（b）所示，后置服務器會根據(jù)收到的日期對數(shù)據(jù)庫進行一一搜索，將搜索到的信息存入鏈表并逐一發(fā)給前置服務器；再由前置服務器從共享內(nèi)存提取結構體數(shù)據(jù)包，并將歷史記錄數(shù)據(jù)包發(fā)往客戶端。圖11服務器歷史數(shù)據(jù)查看功能顯示

6結語

本文設計了基于STM32的實驗室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過傳感器采集數(shù)據(jù)并通過ESP8266模塊發(fā)送至云服務器，用戶通過登錄客戶端可以查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)。本設計主要實現(xiàn)如下功能：（1）ESP8266與EpollSocket服務器交互通信；（2）WindowsQt客戶端與EpollSocket服務器交互通信；（3）云前置服務器與后置服務器IPC通信；（4）后置服務器對數(shù)據(jù)庫的提取和更新；（5）DHT11溫濕度傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2煙霧傳感器的數(shù)值采集；（6）Qt客戶端用戶登錄注冊功能、Qt客戶端傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查看功能。經(jīng)過測試，結果表明本文設計的基于STM32的實驗室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了以上功能；在網(wǎng)絡節(jié)點范圍內(nèi)可以對數(shù)據(jù)進行高效采集并傳輸至云服務器，每30s對客戶端的傳感器數(shù)據(jù)進行更新。用戶能夠及時地發(fā)現(xiàn)實驗室可能出現(xiàn)的各種安全問題。

作者：薛文輝 李仁銘 潘宇浚 鄭何 武永華 單位：福建江夏學院 電子信息科學學院