物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 駿

(紹興文理學(xué)院 資產(chǎn)與實驗室管理處，浙江 紹興 312000)

隨著高等教育事業(yè)的快速發(fā)展和辦學(xué)形式的多樣化，高校的實驗室資產(chǎn)規(guī)?？焖倥蛎?，不僅實驗室場地面積大大增加，實驗儀器設(shè)備尤其是大型儀器設(shè)備的數(shù)量也越來越多。另外，由于在很多高校建設(shè)的新校區(qū)，實驗室集中于某幾幢大樓里，科研人員密集，一旦發(fā)生安全事故，可能會帶來嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失[1]。因此，在實驗室建設(shè)高速發(fā)展的新時期，實驗室的安全管理工作顯得尤為重要。

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并逐步走向成熟，為實驗室安全管理工作提供了新的技術(shù)保障[2-3]。傳統(tǒng)的實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)往往采用視頻監(jiān)控及離線式的火警裝置。這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)若安置在每層樓道的每個房間將大大增加成本，值班人員面對眾多的視頻圖像也很難及時發(fā)現(xiàn)險情。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)，提高傳統(tǒng)實驗室安全管理系統(tǒng)的信息化水平、管理效率，縮短安全事故反應(yīng)時間。

一、實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)是綜合運用智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的能夠快速感知安全事故并迅速發(fā)出報警信息的實驗室安全監(jiān)測平臺[4-7]。

實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)由智能傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)控終端、報警系統(tǒng)、遠程(移動)監(jiān)控終端等構(gòu)成，如圖1所示。

實驗室的安全監(jiān)測內(nèi)容主要有火情監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、有毒及易燃氣體監(jiān)測和防盜監(jiān)測。溫度監(jiān)測作為對某些需低溫環(huán)境下存放的化學(xué)藥品的監(jiān)測，同時可以作為防火監(jiān)測的一種輔助監(jiān)測。有毒及易燃氣體監(jiān)測主要對實驗室空氣中有毒有害化學(xué)氣體和易燃易爆氣體濃度的監(jiān)測，在發(fā)生此類氣體泄露時能及時發(fā)現(xiàn)。人體監(jiān)測主要用于對夜間的盜賊入侵檢測。

圖1 實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點將各監(jiān)測節(jié)點安全監(jiān)測數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。本地監(jiān)控終端通過服務(wù)器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，若有報警，本地監(jiān)控終端驅(qū)動聲光報警裝置并利用短信報警裝置將報警信息發(fā)送給用戶。用戶也可通過Internet在遠程監(jiān)控終端或移動監(jiān)控終端訪問服務(wù)器獲取節(jié)點安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

本設(shè)計中有五類節(jié)點，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)收集其他節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并發(fā)送到局域網(wǎng)中。其他四種節(jié)點為監(jiān)測節(jié)點，根據(jù)需要分布于實驗室各個監(jiān)測點。

(一)監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點由三部分組成：傳感器模塊、微控制器模塊和ZigBee通信模塊，如圖2所示。

1.傳感器模塊的設(shè)計

本設(shè)計中使用了四種傳感器模塊，分別是煙霧探測器、溫濕度傳感器、氣體傳感器和人體探測器。

圖2 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

煙霧探測器用來探測是否有火情[8-9]，本設(shè)計中采用光電型煙霧探測器RE46C190，該探測器具有本地蜂鳴器接口和電池低電壓檢測，具有較低的待機功耗，可采用3 V供電，使用1400 mAh的鋰電池時，電池壽命可達10年。

煙霧探測器RE46C190的報警輸出端口連接在微控制器的中斷輸入腳，當(dāng)檢測到有煙霧時，該端口輸出高電平，從而在微控制器中斷輸入腳產(chǎn)生一個上升沿跳變。

溫濕度傳感器采用SHT15，其具有14bit的溫度分辨率和12 bit的濕度分辨率，濕度的精度為±2.0% RH，溫度的精度為±0.3oC[10-11]。

SHT15采用I2C接口與微處理器通信。微處理器通過I2C口發(fā)送溫度或濕度測量命令，測量完成后SHT15會下拉I2C口的DATA腳表示測量結(jié)束[12-13]。微控制器通過觸發(fā)SCK時鐘信號來接收測量數(shù)據(jù)。測量一次的時間最多為320 ms，微控制器可以在需要的時候來接收數(shù)據(jù)。

有毒氣體的檢測可以根據(jù)需要選擇不同的傳感器，本設(shè)計采用以MQ135氣體傳感器為核心的模組，其對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，檢測濃度在10-1000ppm之間[14-16]。模組可輸出模擬量和數(shù)字量，模擬量表示氣體濃度，開關(guān)量表示濃度是否超限，門限值可通過模組上的可調(diào)電阻進行調(diào)節(jié)。模擬量和數(shù)字量通過接口連接到微控制器的模擬量輸入端口和數(shù)字量輸入端口[17]。

本試驗日糧添加不同水平過瘤胃脂肪對林麝血糖、總蛋白、白蛋白、甘油三酯、膽固醇、鈣、磷、鎂、肌酐、孕酮等無顯著影響；10 g/d組提高了血清雌二醇和睪酮含量。

人體監(jiān)測節(jié)點采用專用處理控制芯片RCWL-9196設(shè)計的微波感應(yīng)開關(guān)模塊。模塊供電電壓為4-28 V，感應(yīng)距離最大為7米，正常時信號輸出腳為低電平，當(dāng)檢測到區(qū)域內(nèi)有物體移動時信號輸出腳為高電平(3.3 V)，可以與微控制器中斷腳直接連接。

2.微控制器模塊的設(shè)計

本設(shè)計中的各個節(jié)點采用可3 V供電的STM8L051F3低功耗型控制器。火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點中的煙霧探測器報警輸出端口連接在STM8L051F3的中斷輸入腳，正常工作時，STM8L051F3處于休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測到煙霧時，報警輸出端口輸出高電平，STM8L051F3的中斷輸入腳產(chǎn)生上升沿中斷，將STM8L051F3喚醒，STM8L051F3將報警信息按協(xié)議格式打包后通過串口發(fā)送給ZigBee通信模塊。

溫濕度監(jiān)測節(jié)點的微控制器通過I2C接口讀取傳感器測量的溫度和濕度數(shù)據(jù)，為了降低功耗，可以延長每次測量間隔時間，當(dāng)溫度或濕度數(shù)據(jù)超出正常范圍時，加快測量頻率。溫度數(shù)據(jù)可以用來作為火災(zāi)發(fā)生的輔助檢測手段。

有毒及易燃氣體監(jiān)測節(jié)點的微控制器通過數(shù)字量和模擬量I/O口與氣體傳感器模塊對應(yīng)腳相連，數(shù)字量I/O口工作于中斷輸入模式，下降沿中斷方式，當(dāng)該腳電平由高變低，產(chǎn)生中斷；模擬量I/O口工作于模擬量輸入模式，用于檢測氣體濃度。

人體監(jiān)測節(jié)點的微控制器通過中斷輸入腳與微波感應(yīng)開關(guān)模塊信號輸入腳相連，中斷方式為上升沿中斷，該信號有低電平變?yōu)楦唠娖秸f明檢測到移動目標(biāo)。

上述各微控制器將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給ZigBee通信模塊。各數(shù)據(jù)包的格式如表1所示。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)包格式

節(jié)點編號報警狀態(tài)模擬量值3字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)

其中，節(jié)點編號占3字節(jié)，每位的功能如表2所示。

3.ZigBee通信模塊

各監(jiān)測節(jié)點的ZM516X模塊工作于路由模式，即可以發(fā)送本節(jié)點微控制生成的數(shù)據(jù)包也可以轉(zhuǎn)發(fā)其他監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)包，并且可以自動組網(wǎng)，當(dāng)其中一條路徑出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)會自動調(diào)整到其他路徑進行傳輸。

ZM516X模塊的參數(shù)可以通過配置軟件進行配置，ZM516X模塊主要配置參數(shù)如表3所示。

ZM516X模塊采用透明傳輸，微控制器模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包后通過串口發(fā)送給ZM516X模塊，ZM516X模塊就根據(jù)自動建立的路由表根據(jù)目的地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一站路由或網(wǎng)關(guān)節(jié)點。當(dāng)ZM516X模塊接收到其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的目的地址若是本節(jié)點，則通過串口發(fā)送給微控制器模塊，否則轉(zhuǎn)發(fā)給下一站路由或網(wǎng)關(guān)節(jié)點。在本設(shè)計中，各監(jiān)測節(jié)點的目的地址都是網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

表2 節(jié)點編號位分配表

bit23-bit21校區(qū)編號bit20-bit16實驗樓編號bit15-bit11樓層編號,0表示地下一層bit10-bit8節(jié)點類別:0表示火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點,1表示溫濕度監(jiān)測節(jié)點,2表示有毒及易燃氣體監(jiān)測節(jié)點,3表示人體監(jiān)測節(jié)點bit7-bit0對應(yīng)校區(qū)、實驗樓、樓層中節(jié)點序號

表3 ZM516X模塊主要配置參數(shù)

配置信息參數(shù)范圍功能說明PanID0x0000^0xFFFF網(wǎng)絡(luò)ID號本地網(wǎng)絡(luò)地址0x0000^0xFFFF節(jié)點自身地址目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址0x0000^0xFFFF當(dāng)前的通信目的地址,可以由控制器通過AT指令修改設(shè)備類型0,10=終端設(shè)備1=路由設(shè)備發(fā)送模式0,10=單播模式1=廣播模式通道號CH11^26可有16個物理信道

(二)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，采用ZBNET-300C-U網(wǎng)關(guān)設(shè)備。ZBNET-300C-U視距覆蓋半徑可達2.5 Km，具有10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持數(shù)據(jù)透明傳輸，可以使用配置軟件通過有線或無線方式配置參數(shù)。

如圖1所示，各個監(jiān)測節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)以無線方式與網(wǎng)關(guān)節(jié)點通信，網(wǎng)關(guān)節(jié)點以有線方式與局域網(wǎng)中的服務(wù)器通信。網(wǎng)管節(jié)點ZBNET-300C-U工作在Real COM模式，此時對于服務(wù)器而言，ZBNET-300C-U相當(dāng)于一個串口設(shè)備。

三、上位機監(jiān)控平臺設(shè)計

(一)本地監(jiān)控

本設(shè)計中，ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點、服務(wù)器、本地監(jiān)控終端和打印設(shè)備構(gòu)成了組成局域網(wǎng)。局域網(wǎng)中的服務(wù)器通過一個后臺服務(wù)程序主動連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點ZBNET-300C-U獲取各監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

局域網(wǎng)中的本地監(jiān)控終端通過以太網(wǎng)訪問服務(wù)器，實現(xiàn)實時查詢和接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送的信息，當(dāng)有安全報警事件時，啟動聲光報警設(shè)備并發(fā)送短信給管理人員[18-20]。管理員還可以通過本地終端對該系統(tǒng)進行設(shè)置，實現(xiàn)撤防布防等操作。

(二)遠程監(jiān)控

通過將服務(wù)器接入Internet，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控各個監(jiān)測節(jié)點。

基于B/S結(jié)構(gòu)建立無線傳感網(wǎng)Web監(jiān)控平臺，管理人員通過瀏覽器在遠程查詢傳感器狀態(tài)，實時了解實驗室安全狀況。

四、系統(tǒng)應(yīng)用及測試

紹興文理學(xué)院南山校區(qū)綜合實驗教學(xué)大樓現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是在電梯和各樓道口安放攝像頭以及在各樓層配置火災(zāi)報警器和噴淋裝置。

本系統(tǒng)可部署在該實驗教學(xué)大樓并與現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合。在涉及到有毒或易燃氣體的實驗室安裝氣體傳感器，在走廊安裝煙霧傳感器，在各樓梯口安裝人體探測器，在對溫濕度有特殊要求的房間安裝溫濕度傳感器，從而構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并接入校園網(wǎng)。一方面擴展了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，另一方面能夠及時主動的提醒值班人員和管理人員。

經(jīng)過一個月的測試，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N安全測試信號產(chǎn)生反應(yīng)，及時發(fā)出報警信號和報警短信，提醒值班人員和管理人員安全事故的類別和位置，有效的提高了應(yīng)對安全事故的反應(yīng)速度。

五、結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實驗室安全管理系統(tǒng)方案，可以實現(xiàn)基本但又是最主要最常見的火災(zāi)、氣體泄露、盜竊等安全監(jiān)測，并能實時發(fā)送報警信息給管理人員。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，使用方便，易于掛接到現(xiàn)有的校園網(wǎng)管理系統(tǒng)，具有較好的實際應(yīng)用價值。