基于WiFi的智能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢 娟， 秦 丹， 戰(zhàn)麗波

(濱州醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山東煙臺(tái)264003)

0 引言

隨著高校招生規(guī)模和科研力量的不斷壯大，實(shí)驗(yàn)室在高校教學(xué)和科研中的作用日益凸顯，同時(shí)，部分高校在實(shí)驗(yàn)室安全與環(huán)境保護(hù)方面存在諸多問(wèn)題，例如電氣設(shè)備用電量大，線(xiàn)路老化、用電過(guò)載、接地不良和靜電危害等用電安全隱患，易燃易爆化學(xué)危險(xiǎn)品多，化學(xué)藥品取用、保管不當(dāng)以及化學(xué)氣體泄漏造成的化學(xué)藥品安全隱患，病原生物類(lèi)實(shí)驗(yàn)室菌種、病毒、陽(yáng)性標(biāo)本以及其他生物危險(xiǎn)因子的感染、泄漏造成的生物安全隱患，存放廢氣、廢液、固體等廢棄物的實(shí)驗(yàn)室倉(cāng)庫(kù)泄漏的造成環(huán)保安全隱患等;而且高校實(shí)驗(yàn)室又具有使用頻繁，人員集中且流動(dòng)性大的特點(diǎn)，大量貴重儀器設(shè)備和重要研究資料存放在實(shí)驗(yàn)室，這些高校實(shí)驗(yàn)室安全隱患，日益引起大家的關(guān)注［1-6］。實(shí)驗(yàn)室安全與環(huán)保工作一直是高?？蒲泻徒虒W(xué)的重點(diǎn)，根據(jù)要求實(shí)驗(yàn)室應(yīng)建立并保持安全作業(yè)管理程序，確?；瘜W(xué)危險(xiǎn)品、毒品、有害生物、電離輻射、高溫、高電壓、撞擊以及水、氣、火、電等危及安全的因素和環(huán)境得以有效控制，并有相應(yīng)的應(yīng)急處理措施［7］。

鑒于高校實(shí)驗(yàn)室某些特殊設(shè)備和試劑對(duì)環(huán)境影響的要求以及師生、財(cái)物的安全防范的要求，針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行中的老舊實(shí)驗(yàn)室不易重建，安全、環(huán)境條件無(wú)法監(jiān)控的問(wèn)題，結(jié)合近幾年民用智能監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，特制定以下環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在投資最小、施工簡(jiǎn)單易行不影響教學(xué)進(jìn)行、不破壞和限制現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室功能的前提下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且安全有效的管理，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控，方便日常管理以及三防的要求。

1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于建立穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布設(shè)無(wú)線(xiàn)路由器，實(shí)現(xiàn)WiFi全覆蓋并接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和電腦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制(見(jiàn)圖1)。本系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)置。

圖1 基于WiFi的環(huán)境監(jiān)測(cè)智能監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 電力系統(tǒng)監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用電安全是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理不可或缺的組成部分［8］。實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)，是實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行的重要組成，不但要考慮設(shè)備的利用率最大化，而且要保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是實(shí)驗(yàn)室工作順利進(jìn)行的有力保障［9-10］。實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的運(yùn)行情況復(fù)雜，從安全和節(jié)能角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備在使用后要及時(shí)斷電并脫離電網(wǎng)，但是對(duì)于部分特殊的、要求持續(xù)供電的儀器設(shè)備，例如超低溫冰箱、細(xì)胞培養(yǎng)箱等需要安全穩(wěn)定的電壓供給。本設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，通過(guò)改造以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(1)加裝無(wú)線(xiàn)智能控制開(kāi)關(guān)和插座。根據(jù)需要，單臺(tái)用電設(shè)備包括空調(diào)和照明電路，加裝無(wú)線(xiàn)智能控制開(kāi)關(guān)和插座，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室日常具體使用時(shí)間設(shè)定電路的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。

(2)主配電盤(pán)加裝遠(yuǎn)程智能控制模塊。設(shè)定對(duì)某一路或多路用電插座開(kāi)啟的時(shí)間段，在節(jié)假日、寒暑假、教學(xué)時(shí)間外實(shí)驗(yàn)室休停的時(shí)間段電源自動(dòng)關(guān)閉。

(3)設(shè)置手機(jī)APP推送功能與遠(yuǎn)程操作控制。實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備能耗和電網(wǎng)電壓:選用某些品牌的智能WiFi開(kāi)關(guān)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備能耗和電網(wǎng)電壓，減少因?yàn)楣ぷ魇韬鐾涥P(guān)閉電源和設(shè)備造成的設(shè)備安全隱患和電力損耗。同時(shí)若實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備短路、停電、電壓異常等情況，系統(tǒng)將自動(dòng)推送報(bào)警信息到手機(jī)APP，通知實(shí)驗(yàn)管理人員及時(shí)查看、維修和處理，防止因?yàn)橥ｋ娀蛟O(shè)備故障造成的損失;根據(jù)分配權(quán)限，實(shí)驗(yàn)室管理人員可以在權(quán)限范圍內(nèi)手動(dòng)遠(yuǎn)程操控某一路用電設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉，減少直接接觸強(qiáng)電控制箱觸發(fā)危險(xiǎn)。

1.2 環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控

高校實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備材料倉(cāng)庫(kù)對(duì)儀器和材料的存放、運(yùn)行等環(huán)境有一定的要求，例如溫度、濕度、清潔度要求控制在一定范圍，部分特殊實(shí)驗(yàn)室要求更加精密的環(huán)境參數(shù)控制。

1.2.1 溫度、濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)的控制

對(duì)于環(huán)境參數(shù)精度要求不是非常嚴(yán)格的情況下，不需要單獨(dú)布設(shè)線(xiàn)路并安裝精密傳感器，只需要在WiFi環(huán)境下增設(shè)環(huán)境檢測(cè)儀、智能開(kāi)關(guān)和萬(wàn)能遙控器便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的智能監(jiān)控。

(1)環(huán)境檢測(cè)與設(shè)備聯(lián)動(dòng)。通過(guò)安裝無(wú)線(xiàn)環(huán)境檢測(cè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、排風(fēng)扇等現(xiàn)有電器來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控和智能控制。例如設(shè)定病原學(xué)實(shí)驗(yàn)室操作間的室內(nèi)環(huán)境條件為:溫度為20～32℃，濕度為30%～50%，空氣質(zhì)量達(dá)到良以上，當(dāng)室內(nèi)溫度超過(guò)32℃后環(huán)境檢測(cè)儀便自動(dòng)發(fā)送指令到遙控器，控制啟動(dòng)空調(diào)降溫;當(dāng)室內(nèi)濕度大于50%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送指令啟動(dòng)空調(diào)抽濕功能以降低室內(nèi)濕度;當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量下降到一定范圍，系統(tǒng)便自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)或通風(fēng)系統(tǒng)，直到環(huán)境質(zhì)量達(dá)到設(shè)定的范圍之內(nèi)。

(2)設(shè)置手機(jī)APP推送功能。設(shè)定系統(tǒng)報(bào)警功能，不僅可以自動(dòng)控制電器運(yùn)行以保障環(huán)境參數(shù)處于設(shè)定范圍，還可自動(dòng)向手機(jī)APP發(fā)送報(bào)警信息，提示管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程查看或監(jiān)控。

1.2.2 特殊環(huán)境參數(shù)控制

高校部分特殊實(shí)驗(yàn)室，因工作環(huán)境要求和精密儀器要求，需要安裝特殊、高精度傳感器，以實(shí)現(xiàn)高精度和特殊參數(shù)控制，例如甲醛、苯、氨等有毒氣體和燃爆氣體的檢測(cè)。

1.3 智能安防系統(tǒng)監(jiān)控

為確保實(shí)驗(yàn)室安全，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下安裝無(wú)線(xiàn)安防設(shè)備以實(shí)現(xiàn)智能安防、遠(yuǎn)程設(shè)防和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

(1)安裝安防設(shè)備。安裝安防主機(jī)、無(wú)線(xiàn)門(mén)磁傳感器、無(wú)線(xiàn)煙感探測(cè)器、無(wú)線(xiàn)水浸傳感器、無(wú)線(xiàn)紅外傳感器、無(wú)線(xiàn)聲光報(bào)警器和無(wú)線(xiàn)紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等設(shè)備，無(wú)需布線(xiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)，將設(shè)備安裝放置在合理位置。

(2)系統(tǒng)設(shè)置手機(jī)APP推送。設(shè)置簡(jiǎn)單，所有安防功能都可以用手機(jī)或電腦客戶(hù)端進(jìn)行設(shè)置，對(duì)安防的時(shí)間和項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，也可以隨時(shí)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)安防，真正實(shí)現(xiàn)智能安防和智能監(jiān)控。①實(shí)時(shí)查看。通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看室內(nèi)視頻監(jiān)控，查看門(mén)窗水電狀態(tài)，若室內(nèi)有非法入侵者，無(wú)論觸發(fā)門(mén)磁還是紅外傳感器都會(huì)實(shí)時(shí)傳送報(bào)警信息到手機(jī)和電腦，并彈出現(xiàn)場(chǎng)照片和視頻，同時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)提示房間有非法入侵。②設(shè)備聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)可設(shè)置與環(huán)境監(jiān)控設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室有漏水、跑水等情況，可觸發(fā)水浸傳感器，煙霧濃度升高到一定程度可觸發(fā)煙感探測(cè)器;若電力故障設(shè)備下線(xiàn)會(huì)有報(bào)警提示等。

系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要，增減調(diào)整布控的項(xiàng)目，以利于最佳控制和管理(見(jiàn)圖2)。

圖2 系統(tǒng)布控項(xiàng)目

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室工作的特點(diǎn)和承擔(dān)任務(wù)、功能的不同，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有不同的側(cè)重和多種組合方式。

(1)對(duì)于化學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室和試劑倉(cāng)庫(kù)，由于大量存放使用化學(xué)試劑，有機(jī)、無(wú)機(jī)試劑的易揮發(fā)性、毒性或者易燃性極易造成火災(zāi)、爆炸和毒害，其中TVOC(總揮發(fā)性有機(jī)物)是室內(nèi)空氣污染的重要因素［11］，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上更著重于TVOC的監(jiān)測(cè)和對(duì)環(huán)境參數(shù)的控制。通過(guò)聯(lián)動(dòng)空調(diào)、排風(fēng)扇來(lái)控制室內(nèi)溫度和通風(fēng)，特別是在高溫的暑假，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和試劑倉(cāng)庫(kù)的溫度一定要嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制，保證溫度傳感器正常工作，并有效控制聯(lián)動(dòng)空調(diào)和換氣設(shè)備;

(2)對(duì)于對(duì)保存、取用有嚴(yán)格要求的危險(xiǎn)試劑、危險(xiǎn)生物病原體等，例如濃硫酸、生物病原菌種、易制毒管制藥品等，對(duì)存放試劑所在的實(shí)驗(yàn)室和倉(cāng)庫(kù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)側(cè)重于智能安防，應(yīng)注意加裝無(wú)線(xiàn)紅外傳感器、無(wú)線(xiàn)聲光報(bào)警器或無(wú)線(xiàn)紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等安防系統(tǒng)，防范失竊情況發(fā)生，有效控制危險(xiǎn)因素的取用和管理。

(3)精密、貴重設(shè)備儀器較多的科研類(lèi)實(shí)驗(yàn)室，儀器對(duì)使用環(huán)境的要求比較高，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上，注重對(duì)環(huán)境微量污染物的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)穩(wěn)壓電源、APS電源等儀器的能耗和下線(xiàn)監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖3)。

圖3 特殊儀器的能耗監(jiān)測(cè)

3 監(jiān)控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成使用15年，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)早期沒(méi)有充分考慮電力容量和布線(xiàn)合理性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中主要使用用電儀器設(shè)備，且設(shè)備多需220 V和380 V強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)，要求保持實(shí)驗(yàn)室干燥，相對(duì)濕度＜75%，室溫保持在30℃以?xún)?nèi)，防止潮濕、炎熱、高溫［12］;保障學(xué)生用電安全十分重要，是本系統(tǒng)需主要解決的問(wèn)題。

(1)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室布設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，編輯主控菜單(見(jiàn)圖4);

(2)各電源插座加裝無(wú)線(xiàn)智能控制開(kāi)關(guān)和插座總控，設(shè)置控制所有用電設(shè)備;安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，并編輯場(chǎng)景(見(jiàn)圖5);

(3)儀器倉(cāng)庫(kù)和精密儀器室，加裝無(wú)線(xiàn)煙感探測(cè)器、無(wú)線(xiàn)水浸傳感器和濕度傳感器，以監(jiān)測(cè)儀器倉(cāng)庫(kù)和精密儀器室失火、水浸的情況發(fā)生，并控制室內(nèi)的溫濕度。例如激光拉曼光譜儀等精密儀器使用環(huán)境需防塵、防潮，可在暑期潮濕季節(jié)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)及時(shí)啟動(dòng)干燥機(jī)以達(dá)到除濕目的。

4 監(jiān)控系統(tǒng)利弊分析及存在問(wèn)題防范措施

4.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行

(1)雖然市場(chǎng)上有許多科技公司提供高端的實(shí)驗(yàn)室智能可視化管理及安全管理，但是這種系統(tǒng)從購(gòu)買(mǎi)、安裝到維護(hù)費(fèi)用昂貴，適用于新建高端科研實(shí)驗(yàn)室，普通老舊、學(xué)生教學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室選擇范圍比較小。

圖4 手機(jī)APP主控界面

圖5 監(jiān)控主頁(yè)面和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控畫(huà)面

(2)本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)可以使用目前主流的設(shè)備廠家的產(chǎn)品，無(wú)需使用多個(gè)APP頻繁操作，目前有智能控制廠家已經(jīng)將智能控制芯片植入多家主流電器和開(kāi)關(guān)廠家的產(chǎn)品中，使用1～2個(gè)手機(jī)或電腦客戶(hù)端就可以控制所有智開(kāi)關(guān)和電器，成本低，安裝簡(jiǎn)單，非常適用于老舊和在用的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室和儀器材料倉(cāng)庫(kù)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，且在不改變實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有結(jié)構(gòu)前提下，減少布線(xiàn)降低部署成本和門(mén)檻，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生變化時(shí)，傳感器可靈活增刪、更換，簡(jiǎn)便易行。

(3)隨著互聯(lián)網(wǎng)以及智能家居和智能安防設(shè)備的不斷升級(jí)，智能監(jiān)控和控制的成本會(huì)不斷的降低，功能會(huì)不斷的完善，且真正實(shí)現(xiàn)智能控制，而不是簡(jiǎn)單的手動(dòng)遙控，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄使用者的習(xí)慣和規(guī)律，自動(dòng)優(yōu)化設(shè)備的各種功能，節(jié)約能源，減少設(shè)備損耗，方便管理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)智能管控。

4.2 系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的問(wèn)題和防范

(1)權(quán)限的分配和管理。手機(jī)APP查看和控制權(quán)，只分配給實(shí)驗(yàn)室主任和技術(shù)人員，其他無(wú)關(guān)人員無(wú)權(quán)查看和控制。實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員通過(guò)對(duì)應(yīng)賬號(hào)登陸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理。監(jiān)控、安防等在線(xiàn)設(shè)備查看、添加、刪除或者使用其他終端登錄，都需要通過(guò)實(shí)時(shí)驗(yàn)證碼授權(quán)用戶(hù)，以保證安全。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全和維護(hù)。系統(tǒng)基于WiFi設(shè)計(jì)和建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定以及手機(jī)APP端的訪(fǎng)問(wèn)控制和加密非常重要，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員需定期檢查網(wǎng)絡(luò)、升級(jí)產(chǎn)品固件并修復(fù)漏洞、控制風(fēng)險(xiǎn)。

(3)需與其他方式的實(shí)驗(yàn)室安全措施結(jié)合，協(xié)同作用。實(shí)驗(yàn)室安全管理是一項(xiàng)綜合管理體系，包括完善的管理體制、健全的管理制度、安全教育制度和可靠的安全技術(shù)［13］，例如:建立有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的定期安全考試制度、編寫(xiě)學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全教材，增設(shè)學(xué)生安全教育課，建立實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度、安全巡視制度等［14-16］。本系統(tǒng)的建設(shè)，是在注重建設(shè)成本，結(jié)合老舊實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但還不夠完善，應(yīng)與其他方式的實(shí)驗(yàn)室安全措施相結(jié)合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室工作性質(zhì)和要求，例如配置滅火器、滅火毯、消防栓、靜電消除系統(tǒng)等，各種安全系統(tǒng)和方式合理組合，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)室管理人員的責(zé)任感，以全方位保證實(shí)驗(yàn)室安全，達(dá)到最佳效果。

5 結(jié)語(yǔ)

高校實(shí)驗(yàn)室的安全，是實(shí)施人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的根本保證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室安全需要而設(shè)計(jì)的基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)在我校多個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室和兩個(gè)危化品存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)、廢液回收存放倉(cāng)庫(kù)成功實(shí)施和運(yùn)行，在投資小、簡(jiǎn)便易行的前提下實(shí)現(xiàn)了有效管理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能監(jiān)控。希望本系統(tǒng)的實(shí)施，為高校實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行，提供有益的參考。