高等學(xué)校電氣類實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)

李明 王潤濤 果莉 房俊龍

摘要：針對電氣類實(shí)驗(yàn)室存在的安全管理問題，闡述了基于現(xiàn)代技術(shù)手段的安全預(yù)警管理系統(tǒng)的實(shí)施方案，詳細(xì)介紹了通過傳感器技術(shù)、RFID無線射頻技術(shù)、ZigBee無線傳輸技術(shù)與遠(yuǎn)程訪問技術(shù)相互融合，對實(shí)驗(yàn)室存在的火災(zāi)、漏水、失盜等安全隱患進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警的過程，為高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室安全管理提供了技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電氣類；實(shí)驗(yàn)室安全管理；RFID；ZigBee

中圖分類號：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0011-02

一、引言

高校實(shí)驗(yàn)室安全問題對任意一所高校都是至關(guān)重要的。近年來，隨著高等教育體制改革向著“創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)”的發(fā)展趨勢，實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時增加，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)建，安全已經(jīng)被列為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理的首要條件。實(shí)驗(yàn)室安全的保證不僅需要建立詳細(xì)的安全操作規(guī)范與負(fù)責(zé)人管理制度，更要結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)手段建立完備的預(yù)警機(jī)制與緊急預(yù)案。

二、電氣類實(shí)驗(yàn)室存在的安全問題

實(shí)驗(yàn)室安全問題包括兩個主要方面：一是實(shí)驗(yàn)操作過程中操作者的人身安全，二是貴重實(shí)驗(yàn)材料設(shè)備保管防盜安全。電氣類實(shí)驗(yàn)室涉及高電壓大電流實(shí)驗(yàn)以及電子焊接實(shí)驗(yàn)，雖然目前的實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)高度集成，已經(jīng)盡量避免學(xué)生直接接觸裸露高壓線，但操作失誤或管理不當(dāng)都會引起事故，學(xué)生在不明確電路圖的條件下連線短路會直接造成設(shè)備損毀甚至引起火災(zāi)，實(shí)驗(yàn)室濕度過大或者灰塵堆積都會對設(shè)備造成侵蝕埋下安全隱患。此外，電氣類實(shí)驗(yàn)室學(xué)生集中上課流動性大、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備昂貴且類別繁多，經(jīng)常出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。針對高等學(xué)校電氣類實(shí)驗(yàn)室存在安全管理問題，結(jié)合智能化、自動化管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套適用于實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的管理系統(tǒng)，能夠減少安全事故的發(fā)生，改善實(shí)驗(yàn)室的安全管理。

三、安全管理系統(tǒng)的構(gòu)架組成

實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)由事故預(yù)警模塊、防盜預(yù)警模塊、環(huán)境參數(shù)控制模塊、遠(yuǎn)程訪問模塊三個主模塊組成，通過多種終端傳感器采集信息作為預(yù)警和控制的參數(shù)。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

事故預(yù)警包括對火災(zāi)、漏水以及設(shè)備過壓過流運(yùn)行的監(jiān)測，通過設(shè)定參數(shù)范圍即可實(shí)現(xiàn)對事故進(jìn)行提前警報(bào)。（1）環(huán)境控制模塊。照明控制可以根據(jù)檢測人體位置實(shí)現(xiàn)不同燈管的開關(guān)控制，并在無人情況下自動熄燈，溫度傳感器分散安裝于墻面、棚頂，通過平均運(yùn)算得出參數(shù)控制空調(diào)的啟停。（2）防盜預(yù)警模塊。門禁控制采用無線射頻技術(shù)，在每個設(shè)備上安裝電子標(biāo)簽，防范非許可情況下將設(shè)備帶出實(shí)驗(yàn)室。每個實(shí)驗(yàn)室安裝無線視頻攝像頭實(shí)現(xiàn)無死角在線監(jiān)控。獲取的控制參數(shù)保存至數(shù)據(jù)庫，管理員可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地訪問系統(tǒng)狀態(tài)。

四、技術(shù)原理

1.傳感器采集參數(shù)信息?；馂?zāi)是電氣類實(shí)驗(yàn)室較易發(fā)生的事故，一旦發(fā)生火災(zāi)及時發(fā)現(xiàn)有效滅火是極為重要的?；馂?zāi)煙霧是由氣、液、固體微粒群組成的混合物，具有體積、質(zhì)量、溫度、電荷等物理特性。離子型煙霧探測器是通過相當(dāng)于煙敏電阻的電離室引起的電壓變化來感知煙霧粒子的微電流變化裝置。當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入電離室，改變了電離室空氣的電離狀態(tài)，從而宏觀表現(xiàn)為電離室的等效電阻增加引起電離室兩端的電壓增大，由此來確定空氣中的煙霧狀況。

房屋或窗戶漏水也是電氣類實(shí)驗(yàn)室的安全隱患之一，雖然這種情況發(fā)生的幾率相對較小，但如果在無人值守的情況下發(fā)生漏水，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料的損害是巨大的。在易發(fā)生漏水的位置，如水池周圍地板下方、窗臺附近安裝濕度傳感器，以備發(fā)生漏水時及時通知管理員。電流電壓傳感器連接在實(shí)驗(yàn)設(shè)備敏感單元內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)電流電壓過大時自動斷電。無線溫度傳感器安裝于刀閘、電纜接頭、接觸器觸點(diǎn)、母線連接點(diǎn)等各類高低壓設(shè)備連接點(diǎn)，通過監(jiān)測其溫度，預(yù)防溫度過高引起的事故。另外，墻體周圍分散安裝溫度傳感器，作為空調(diào)啟停的控制參數(shù)。人體感應(yīng)傳感器安裝于燈具旁。人體進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)時，傳感器就會輸出一個高電平脈沖信號或高電平延時信號，輸出的感應(yīng)脈沖或延時信號可以直接驅(qū)動照明燈。

2.RFID-EAS無線射頻-電子標(biāo)簽。無線射頻技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification）是在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的，相對于傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡，RFID具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點(diǎn)和具有防沖突功能。EAS（Electronic Article Surveillance）是一種設(shè)置在需要控制物品出入門口的RFID技術(shù)。這種技術(shù)一邊應(yīng)用于商店圖書館等場所，當(dāng)未被授權(quán)的人從這些地方非法取走物品時，EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。實(shí)驗(yàn)室門禁EAS系統(tǒng)由檢測器、電子標(biāo)簽、解碼器組成。檢測器包括接收、發(fā)送兩個模塊，分別安裝在門禁左右兩側(cè)，發(fā)送模塊利用發(fā)射天線發(fā)出一定范圍的掃描信號，接收模塊的接收天線與發(fā)射天線相對應(yīng)形成帶狀掃描區(qū)域，采用電磁波的共振效應(yīng)搜索帶狀掃描區(qū)域內(nèi)有無電子標(biāo)簽經(jīng)過，檢測到電子標(biāo)簽隨即產(chǎn)生報(bào)警信號。電子標(biāo)簽是由Lc振蕩回路組成的電子傳感器，在每個實(shí)驗(yàn)設(shè)備外殼內(nèi)部貼裝電子標(biāo)簽，可以防止將標(biāo)簽隨意揭掉，解碼器是電子標(biāo)簽的滅活裝置，由實(shí)驗(yàn)室管理員保管，只有通過解碼器滅活之后才可以授權(quán)設(shè)備正常出入實(shí)驗(yàn)室門禁。此外，在實(shí)驗(yàn)室出口安裝監(jiān)視器，形成一定區(qū)域的監(jiān)視空間，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備未授權(quán)通過門禁時，系統(tǒng)自動發(fā)出警報(bào)，并控制監(jiān)視器拍攝視頻保存于系統(tǒng)特定存儲區(qū)。

3.ZigBee無線傳輸技術(shù)。zigbee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，其主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。實(shí)驗(yàn)室空間有限，安全管理系統(tǒng)采用的傳感器數(shù)量多、布線復(fù)雜、不易于維護(hù)，因此無線傳輸是實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方法。系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)各個傳感器與主控制器間的數(shù)據(jù)通訊。每個傳感器匹配一個ZigBee終端組成數(shù)據(jù)采集模塊，ZigBee終端通過IO口間歇性讀取對應(yīng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee無線路由器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，無線路由器再將數(shù)據(jù)包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器用于組建無線網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器的特定處理模塊。環(huán)境控制模塊中，主控制器會對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)程序中預(yù)先設(shè)定的參數(shù)范圍，直接對空調(diào)和照明燈發(fā)送控制信號。在事故預(yù)警與防盜預(yù)警模塊中，主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，判斷是否存在事故隱患或防盜警報(bào)，如果存在，通過androidPN服務(wù)器向?qū)嶒?yàn)室管理員的手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。

4.數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程訪問。實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括視頻格式、圖片格式、字符格式，通過ZigBee無線傳輸至主控制器，主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將可作為控制參數(shù)或報(bào)警參數(shù)的數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫A區(qū)永久留存，冗余字符數(shù)據(jù)（即無異常情況下各個傳感器獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)）存放于B區(qū)，冗余視頻數(shù)據(jù)存放于C區(qū)，數(shù)據(jù)庫B區(qū)與C區(qū)數(shù)據(jù)每學(xué)期清空一次。管理員可以在辦公室或家里電腦以及手機(jī)隨時登錄安全管理系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫，了解實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。

五、結(jié)語

隨著電氣類學(xué)科實(shí)驗(yàn)室規(guī)模不斷擴(kuò)充的發(fā)展需求，面對實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中存在的安全隱患與管理問題，有效的利用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控與預(yù)警，能夠減少安全事故發(fā)生的概率，降低管理員的勞動強(qiáng)度，進(jìn)一步保證了實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行，使學(xué)生能有一個良好的課堂環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]穆蘭.一種圖書館RFID門禁系統(tǒng)的報(bào)警檢測方法[J].儀表技術(shù)，2014，（3）：36-38.

[2]朱蕾.高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的需求分析及功能模塊設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，（24）：293.

[3]楊弘平，鄭先海.基于Zigbee的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，10（4）：355-358.

[4]周健，朱育紅，藍(lán)閩波.高校實(shí)驗(yàn)室安全管理特點(diǎn)及發(fā)展趨勢淺析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（7）：281-284.

[5]郭敏杰，胡新，王珣，等.高等藥學(xué)院校實(shí)驗(yàn)室安全管理探究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（2）：177-179.