基于国产芯片的化工实训室风险监测与实时预警系统设计实现

引言

化工实验室在教学和科研中发挥着重要作用， 但由于涉及化学试剂、设备、温度、压力等多方面的因素，安全隐患始终存在。传统的安全监 视 简单的检测设备，这些手段不仅存在实时性差、反应慢的缺点，而且在面对复杂实 防安全事故的发生。近年来，随着物联网和国产芯片技术的发展，利用先进技术提 渐成为 种趋势。基于国产芯片的风险监测与预警系统，能够整合各种传感器的数 智能分析，有效预防实验室风险。本研究设计了一种基于国产芯片的化工实训室风险监测 预警系统，旨在通过技术手段提升实验室的安全性。

一、系统设计原理1

1. 传感器网络与数据采集

实验室安全监测系统的核心在于实时获取实验室环境的各种数据。温湿度、气体浓度和压力是影响实验安全的关键因素。通过选择高精度传感 温湿度传感器如 DHT22 被广泛应用，其测量范围和精度满足实验室环境的 测多种气体，如氨气、二氧化碳和甲烷。当实验中发生气体泄漏时，传感器 力传感器则能够监控实验设备的压力，及时发现设备故障或气体泄漏 块与处理平台进行数据交互，确保实时传输数据。

2.国产芯片的选择与系统架构

本系统选用了基于国产芯片的嵌入式处理平台。国产芯片如华为的麒麟芯片和全志科技的处理器在性能和稳定性上满足实验室监控的需求。系统采用模块化架构，将数据采集、传输、处理与预警功能分别设计，确保系统各个模块的独立性与高效性。数据采集模块负责从传感器获取环境信息，并通过通信模块传输数据到处理单元。处理单元基于国产芯片进行数据分析，对温湿度、气体浓度和压力数据进行实时评估，判断是否存在安全风险。所有数据通过无线网络传输，确保数据能够在整个实验室内无缝传递。

3.实时预警机制

当监测数据超出设定的安全阈值时，系统立即启动预警机制。该机制通过声光报警设备提示实验室人员注意安全隐患。数据异常时，系统会通过短信或电子邮件通知实验室负责人。预警系统采用基于阈值的算法，保证即使在高密度数据环境下，也能有效识别风险。例如，在实验过程中，如果气体浓度超标，系统会及时触发报警并记录事件，以便后续分析与改进。通过这一实时预警机制，实验室工作人员能够及时应对潜在的安全风险，避免事故的发生。

二、系统实现与测试

1.系统硬件实现

系统的硬件部分包括传感器模块、数据采集单元、处理平台和通信模块。传感器模块是系统的基础，负责采集实验室内的环境数据。温湿度传感器如DHT22，气体传感器如MQ-7、MQ-9，以及压力传感器等在实验过程中提供实时数据。数据采集单元通过专用接口将传感器采集到的数据转换为数字信号，传输至处理平台。处理平台选用国产芯片，如全志科技的R16 处理器，保证了系统在低功耗环境下的高效运作。通信模块采用无线传输技术，通过Wi-Fi 或Zigbee 实现不同传感器与处理单元的无缝连接。每个硬件模块的选择与实现确保了数

据采集的准确性和系统的稳定性。

2.软件系统与数据处理

系统的软件部分在数据处理和预警机制中发挥关键作用。基于Linux 操作系统，系统运行嵌入式应用程序，实时采集来自传感器的数据。应用程序 数据进行分析，判断是否超出设定的安全阈值。数据处理模块采用基于阈值 度、 气体浓度和压力等关键数据进行实时评估。通过内置的分析算法，系统能够 度过高等，触发预警机制。系统不仅能实时监控环境，还能生成数据报告，供实验 管 人 操作都在国产芯片的控制下实现，保证系统的自主可控性和数据安全性。

3. 系统测试与评估

为了验证系统的实际应用效果，进行了多项测试。模拟实验室环境的多种场景，包括温度、湿度变化、气体浓度变化和压力异常等。在实验室环境模拟测试中，系统准确捕捉到环境的变化，并通过预警系统及时通知实验人员。在实际测试中，系统能够及时检测到气体浓度超过安全阈值，成功触发声光报警。通过对系统响应时间和处理精度的评估，确保系统的稳定性和实时性。所有测试数据表明，系统能够在不同环境下稳定运行，准确识别潜在的安全隐患。通过这一系列测试，证明了系统在化工实验室中的有效性与可靠性。

基于国产芯片的化工实训室风险监测与实时预警系统，通过精确集成传感器技术、国产芯片平台和智能数据处理机制，成功解决了传统化工实验室在安全监控方面的不足。系统能够实时采集实验室环境中的温湿度、气体浓度和压力等重要参数，及时反映潜在的安全隐患。通过国产芯片的高效处理能力与稳定性，系统能够快速分析监测数据，并在数据异常时触发预警，确保了化工实验室操作环境的安全性。系统的实现和测试表明，选用的温湿度传感器、气体传感器和压力传感器具有较高的精准度，能够及时监测到实验室环境的变化，避免了人工巡查的局限性。国产芯片平台在保证低功耗和高稳定性的同时，还具备强大的数据处理能力，能够在实验室内多个传感器间实时传输数据，确保了监控信息的及时反馈。通过基于阈值的预警机制，系统能够准确判断实验室环境中的风险因素，并通过声光报警、短信和邮件等方式及时通知相关人员，极大地提高了安全响应速度。

参考文献

[1]刘成. “化工实验室安全监测系统的设计与实现.” 化学工程与装备 2023.

[2]张杰. “基于物联网技术的化工实验室安全监控系统研究.” 实验技术与管理 2022.

[3]陈丽. “国产芯片在实验室监控系统中的应用.” 嵌入式技术 2023.

[4]高峰. “智能预警系统在实验室安全管理中的应用研究.” 化工安全 2021.基金项目：2023 年度“基于国产微处理器的化工实训室安全预警系统设计与实现”（项目编号：2023AHDZZK08）；安徽省教学研究一般项目“‘双高计划’背景下智能物联网运维技术微专业‘金课’建设路径探索”（2024jyxm1092）

作者简介：洪波（1987—），男，硕士，讲师，研究方向为计算机控制技术、物联网技术。