基于STM32的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案

薛文輝，李仁銘，潘宇浚，鄭 何，武永華

（福建江夏學院 電子信息科學學院，福建 福州 350108）

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)點范圍內可以對數(shù)據(jù)進行高效采集并傳輸至云服務器，每 30 s 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。

中圖分類號 ：TP393 文獻標識碼 ：A 文章編號 ：2095-1302（2022）09-0029-03

0 引 言

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 30 s 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Epoll Socket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)庫內容并實時保存。兩個子服務器之間以共享內存作為進程間通信工具 [11]。

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Epoll Socket 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通信工具是共享內存。本系統(tǒng)云服務器將共享內存區(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，其中共享內存首地址Shm_addr指針作為共享內存判斷的起始點。本服務器會開辟一個線程用于判斷共享內存起始點內是否為空，倘若為空則不讀取數(shù)據(jù) ；如果判斷索引內容為有效數(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。共享內存存儲方式如圖2所示。

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 ：讀取共享內存中的業(yè)務包。

（2）業(yè)務回調函數(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。

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3.3 V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。

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。

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。

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。

4.1 Qt 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_inf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。

4.2 Qt 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?，客戶端會收到來自服務器的當前傳感器?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。

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。

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 Epoll Socket 服務器交互通信 ；（2）Windows Qt 客戶端與 Epoll Socket 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)點范圍內可以對數(shù)據(jù)進行高效采集并傳輸至云服務器，每 30 s 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。

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編輯：黃飛

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