第36卷第1期Vol.36No.1
徐州工程学院学报(自然科学版)
Journal of Xuzhou Institute of'Technology(Natural Sciences Edition)
2021年3月
Mar.2021基于云平台的实验室环境监测系统设计研究
孙进12，张洋12，周骥平12
(1.扬州大学实验室环保与智能装备研究所，江苏扬州225127；
2.江苏科仕达实验室环保科技有限公司，江苏扬州225127)
摘要：按照实验室通风及废气净化需求，须对实验室环境进行实时监测，为此基于云平台设计了一套实验室环境智能监测系统，其监测数据包括实验室环境温湿度、实验室多种废气浓度、酒精、一氧化碳、可燃性气体(甲烷、液化气等)、粉尘等.该系统选用STM32F103C8T6作为微处理芯片，采用监测指标传感器实时获取实验室环境数据并基于OLED屏显示；无线传输模块ATK-ESP8266进行数据上传；原子云平台进行
实时储存及显示；基于阈值设定法启动环境异常的支援服务，如蜂鸣器警示、温湿度调节、换气风扇开启等.该系统可用于高校实验室环境监测与支援服务，具有多地多主机实时监测、无人值守、海量数据储存等优点.
关键词：环境监测；无线传输；云平台；支援服务
中图分类号：O625.67文献标志码:A文章编号=1674-358X(2021)01-0071-07
高校实验室往往承担繁重的科研任务，而实验室安全是科研创新的基本保障，根据实验室通风及废气净化需求，如何进行实时监测与应对突发事件的远程支援服务已成为当前研究的重点内容14].
刘辉席等⑺基于ARM11处理器S3C6410和物联网技术，构建了嵌入式实验室监控系统，用户可以根据自己的实际需求设置基础参数，服务器端负责收集由视频监视器和传感器生成的环境数据，其缺点未能达到多时多地多主机的监测.孙涛等6提出了一种基于无线传感器网络(WSN)的实验室自动安防监控系统设计与实现方案，主要应用于各级企事业单位实验中心的安防自动监控，实现实验室管理的智能化、自动化和实时化的需求.Abdelhak等⑺开发了一种检测废水排放和雨水流入引起的温度变化的算法，采用物联网将自动化程序的结果与对数据集进行手动评估的结果进行比较，表明自动化程序的采集精度较高.
为解决以上方案缺乏集中管理、控制分散等问题，设计了基于云平台的实验室环境监测系统.本系统实现
多方位安装、分布式控制；原子云服务器建立服务站点，用户能够随时通过网页的方式远程控制实验室环境调节设备；具有多地多主机实时监测、无人值守、海量数据储存等优点.
1基于云平台的实验室环境监测系统的硬件设计
1.1系统组成及工作原理
图1为基于云平台的实验室环境监测系统组成示意图，它包括外围电路和电源模块、微处理器、监测指标数据实时获取模块(气体传感器、固体颗粒传感器、温湿度传感器)、WIFI数据无线传输模块、OLED数据显示模块、原子云服务平台⑷.其中气体传感器、固体颗粒传感器与温湿度传感器与微处理器上的引脚相连，其中温湿度传感器与其他传感器相隔一定间距放置，防止其他传感器因工作发热对其产生影响.电源模块为整个系统单独供电，有利于分布式布置；OLED数据显示模块主要用于数据实时显示，现场工作人员不用通过云平台而能实时观测9;WIFI数据无线传输模块与微处理器上的相应引脚相连.
其工作原理为：采用监测指标传感器实时获取实验室环境数据并基于OLED屏显示；无线传输模块ATK-ESP8266进行数据上传；原子云平台进行实时储存及显示，不同的监控主机可通过网页进行实时监测；基于阈值设定法启动环境异常的支援服务，如蜂鸣器警示、温湿度调节、换气风扇开启等，满足实时、多
收稿日期：2020-06-02
基金项目：国家自然科学基金项目(51475409)；2018年度所企合作开放课题(2018SQKF04)
作者简介：孙进(1973—)男，副教授，博士，研主要从事机器视觉与图像识别、机电传动控制等研究.
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徐州工程学院学报（自然科学版）2021年第1期地、多主机的监测要求.
（外围电路卜
（电源模块卜
一氧化碳传感ffl X 可燃性气体传感器) 丄
酒
精
浓
度
传
感
霧)GP2Y1014A
云服务平台
图1 基于云平台的实验室环境监测系统组成
1.2系统模块搭建
1.2.1硬件选用原则
1） 传感器选用根据实际监测种类而定，具有灵敏度高、频率响应高、线性范围宽、稳定性强、经济实惠等 优点.
2） 无线传输模块应具有覆盖范围广、传输能力强、支持串口透明数据传输模式并且具有安全多模能力的 优点.
3） 数据显示模块应选用具备自发光、对比度高、厚度薄、视角广等优点的显示屏.4） 云平台选用原则应包含可扩展性强、可提供长期服务、界面简洁等优点.
1.2.2硬件选择
1） 监测指标数据实时获取模块
气体传感器包括酒精物质的量分数传感器、一氧化碳物质的量分数传感器、可燃性气体物质的量分数传 感器，其性能一定程度上决定了测量的精度.酒精物质的量分数数据采用MQ-3传感器采集，其使用的材料 为气敏材料，主要成分为二氧化锡（SnO 2），特点为在清洁空气中电导率较低，当所处环境中存在酒精蒸汽 时，传感器的导电率随空气中酒精气体物质的量分数正比例增加.可燃性气体物质的量分数数据采用MQ-5 传感器采集，可检测多种可燃性气体，尤其是对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，是一款普适性强、成本低的传感 器.一氧化碳物质的量分数数据采用MQ-7传感器采集，其对一氧化碳具有很高的灵敏度[0].
固体颗粒物质的量分数数据采用夏普光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F 传感器采集，其在检测较小颗 粒是特别灵敏的，是空气净化系统的常用零件，同时该传感器具有极低的电流消耗.其输出的是模拟电压正 比于所测得的粉尘浓度的相对数值，敏感为0. 5 V/0. 1 mg/m 3.
温湿度数据采用DHT11温湿度传感器采集，此传感器是一款复合传感器，其内部含有已校准数字信 号，其将数字模块采集技术和温湿度传感技术相融合，以达到产品极高的可靠性和卓越的长期稳定性的 目的.
如何搭建云平台2） 数据无线传输模块
WIFI 模块选用的ATK-ESP8266是ALIENTEK 推出的一款高性能的UART-WiFi 模块，通过串口与 MCU 通信与内置TCP/IP 协议，能够实现串口与WIFI 之间的转换.传统的串口设备通过ATK-ESP8266 模块只需要简单的串口配置，即可通过网络传输传感器所采集到的数据.
3） 数据显示模块
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孙进，等：基于云平台的实验室环境监测系统设计研究
下位机设备显示数据采用的是中景园0.96寸OLED 屏，驱动接口为SPI，模块的特点：每像素点组成的 单元可自行发光，无需背景灯光，高精度分辨率可识别独立的文字库，全屏电量仅需0.08 W.
4)云服务平台
STM32的M3内核的产品，与同类型的M0内核的及51单片机相比，具有内核先进、外设资源丰富、功 能增强、处理速度快、消耗功率少等优点，尤其是该芯片自带SPI 、UART 、AD 功能接口，能很好地与传感器、 OLED 示屏、WIFI 模块完美契合.经过大量的芯片查看与比对，其型号选用为STM32F103C8T6微处理器 芯片.同时根据监测要求与WIFI 模块的选择，选用原子云服务平台作为终端操作软件.硬件系统构成如图2 (a)所示.通过上述的硬件选择，基于云平台的实验室环境监测系统的硬件设计工作基本完成.硬件实物图如 图2(b)所示.
8
7
6
65'1.DHT11 2.MQ-3 3.MQ-5 4.MQ-7
5.GP2Y1014AU0F 6” 电源模块 7.OLED
8.ATUESP8266 9.STM32F103C8T6(a)系统构成图
1.MQ-3
2. ATK-ESP8266
3. STM32F103C8T6
4.OLED
5.DHT11
6.风扇
7.GP2Y1014AU0F
&MQ-5 9.MQ-7
(b)实物图图2 硬件系统构成图及实物图
2基于云平台的实验室环境监测系统的软件设计
基于云平台的实验室环境监测系统软件设计流程为绘制硬件连接图、编写系统工程、调试无线传输模块 与搭建原子云平台，其具体结构如图3所示.
图3 软件设计流程图
2.1硬件连接图绘制
在整个系统中，硬件正确连接关系到数据能否准确获取，对整个系统能否正常运转起到至关重要的作 用.硬件连接图采用Altium Designer 软件绘制，这套软件将原理图设计、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分 析和设计输出等技术的完美融合，简洁的设计环境有利于设计者进行设计，同时方便读者理解.如图4所示 为STM32线路图，主要包含电源模块、时钟模块、复位电路、Boot 选择、程序下载和调试接口，可以使用ISP 接口实现下载调试功能，在空间受限的情况下，也可以使用ST-LINK 来下载程序.其余硬件连接通过模块 说明书进行连接.
2.2系统工程编写
硬件连接完成之后需编写系统工程文件将各个硬件串联起来，本系统选用Keil “Vision5进行系统工程 文件的编写，Keil 具有生成目标代码效率高、汇编代码紧凑、容易理解等优点，其优势体现在开发大型软 件[11].系统工程编写完成之后通过ST-LINK 编程器下载到微处理芯片STM32F103C8T6中.OLED 显示效 果如图5 所示.
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徐州工程学院学报（自然科学版）2021年第1期
图4STM32线路图
图5OLED显示
2.3无线传输模块调试
无线传输模块的作用是将传感器收集的数据发送到原子云平台上，将模块设置为STA模式，然后连接可以访问网络的WIFI路由器或公共网络，最后配置指令AT+ATKCLDSTA就可以连接原子云平台服务器.图6为调试成功的无线传输模块.
2.4原子云平台搭建
云平台将在线数据实时传输技术与计算技术相融合，其核心技术为现代虚拟技术，网络应用基础设置的扩展能够通过较低的成本来实现.与实际的服务器设备复杂，成本很高等缺点，云平台成为一个有效的替代品，所以本系统选用的云平台为原子云平台，将计算机日常工作与开放互联网基础设施服务相结合，极大的较低了成本，同时面向于大众用于储存数据使用.其中申请到的云平台具有固定的模块编号，手机或电脑为ATK-ESP8266模块开设热点，对其进行设置与调试连接到原子云平台进行数据传输.图7为搭建成功的原子云平台.
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孙进，等：基于云平台的实验室环境监测系统设计研究
图6 调试的无线传输模块图7 搭建的原子云平台
3环境数据系统测试
3.1稳态环境数据监测
选取可进行多种实验操作的实验室，传感器可放置于实验室四周上方，有利于环境全面检测，主要记录 各项相对数值的变化.登陆原子云平台，将用户名与密码输入并登录，等待一段时间,ATK-ESP8266WIFI 模 块会与之相连，软件连接成功界面图如图8所示.本系统总体程序框图如图9所示.打开收发信息按钮，则会 看到实时数据（图10所示），数据每秒更新1次.
图8 软件连接成功界面
设苗编号：56669142276835183965
温度:23"C
舷：气压：1023 Pa
883
乙醇浓度:255
煤气浓度：1658
—M 化碳：2772
36%
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□ 16删諾
□ 15酬肆图9 系统总体程序框图图10 原子云平台实时显示
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