基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

農(nóng)春仕 徐波

摘要：本系統(tǒng)以O(shè)neControl智能控制系統(tǒng)為依托，實驗室現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為通信基礎(chǔ)，通過云平臺，系統(tǒng)提供對OneControl智能網(wǎng)關(guān)以及通過網(wǎng)關(guān)接入的各種主流廠家的有線、無線傳感器及視頻監(jiān)控的管理控制，通過移動終端等遠程訪問和控制智能化系統(tǒng)。本項目中實現(xiàn)了對照明管理、有機氣體監(jiān)控、大型儀器工作狀況監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)控、視頻監(jiān)控等方面功能。

關(guān)鍵詞：OneControl智能控制；物聯(lián)網(wǎng)；遠程訪問

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0019-03

Design and Development of Laboratory Control System Based on Internet of Things Technology

NONG Chun-shi，XU Bo

（ Laboratory and Base Management Office，Nanjing Forestry University Laboratory ，Nanjing 210032，China）

Abstract：The system is based on the OneControl intelligent control system， The existing network of the laboratory is the communication foundation. Through the cloud platform，the system provides management control for OneControl smart gateways and wired， wireless sensors and video surveillance from various major manufacturers accessing the gateway， implements remote access and control intelligent system through mobile terminals etc.The project has realized lighting management， organic gas monitoring， large-scale instrument working condition monitoring， fire monitoring， and video monitoring.

Key words： OneControl intelligent control； Internet of Things； remote access

1 引言

國內(nèi)高校實驗室安全事故時有發(fā)生，安全狀況不容忽視。近年來發(fā)生了諸如：2016年9月21日，東華大學松江校區(qū)化學與生物工程學院實驗室發(fā)生爆炸致；2016年1月10日，北京化工大學實驗室著火；2018年11月11日，翰林學院發(fā)生爆燃事件，高校實驗室安全再次成為關(guān)注點，教育部重申高校要加強實驗室安全管理。目前實驗室安全管理的手段幾乎還是集中在實驗室消防、硬件設(shè)備配置、實驗原料等管理方面，這些手段大多集中在事前預(yù)防和事后補救，對于環(huán)境、設(shè)備的實時監(jiān)控、事故苗頭出現(xiàn)時的隱患消除都缺乏有效的處置手段。因此，研究制定一套可以代替人工監(jiān)管并能自動根據(jù)環(huán)境和設(shè)備運行情況處置各類危險狀況的技術(shù)或方法非常必要，這樣既可以極大地提高實驗室安全，又可以節(jié)約人工成本提升實驗室安全事件的響應(yīng)速度，最大程度地降低損失。

現(xiàn)有的實驗室安全管理手段更多從實驗室硬件建設(shè)上考慮，管理軟件則更多采用的是門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、樣品的安全、儀器的安全、環(huán)境的安全、視頻監(jiān)控等模塊的功能集成，管理途徑過分依賴管理員。針對各類設(shè)備之間的智能聯(lián)動策略的研究，實時調(diào)節(jié)實驗室環(huán)境、安全隱患第一時間及時發(fā)現(xiàn)并利用現(xiàn)有設(shè)備自動控制隱患、異常情況實時遠程報警等方面鮮有考慮。

開發(fā)本系統(tǒng)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室安全管理平臺，實現(xiàn)對實驗室的全面安全管理。

2 技術(shù)方案

本文著重介紹基于OneControl平臺的多類電器綜合管控方案。介紹如何使用OneControl物聯(lián)網(wǎng)平臺，以靈活的通信接入方式，給客戶提供燈光、空調(diào)、通風、電源、水源、門禁等控制功能（就地控制+遠程控制+自動控制）。

OneControl系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)，可涵蓋空調(diào)、地暖、新風、照明、節(jié)能等各種遠控功能，可以讓用戶通過手機、PAD、PC等多種方式進行控制和管理，也可以在環(huán)境傳感器和邏輯編程控制器的作用下，自動執(zhí)行各種任務(wù)。

實驗室的監(jiān)控設(shè)備包括：智能移動設(shè)備（如：智能空開、紅外空調(diào)控制器、智能插座（監(jiān)控大型儀器）、智能開關(guān)、窗簾電機、紅外人體感應(yīng)、空氣質(zhì)量傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器、現(xiàn)場各類有機氣體傳感器等）、可編程邏輯控制器PLC、攝像頭等。

本地智能網(wǎng)關(guān)與遠程服務(wù)器有線或無線連接；本地智能網(wǎng)關(guān)與可編程邏輯控制器PLC電連接，可編程邏輯控制器PLC與強電設(shè)備電連接，攝像頭與遠程服務(wù)器無線連接；本地智能網(wǎng)關(guān)包含數(shù)據(jù)采集軟件，具有實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、實時報警模塊和智能聯(lián)動模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊。

攝像頭將實時采集的實驗室現(xiàn)場圖像發(fā)送給遠程服務(wù)器；可編程邏輯控制器PLC用于控制強電設(shè)備并采集強電設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)回傳給本地智能網(wǎng)關(guān)；本地智能網(wǎng)關(guān)用于將現(xiàn)場智能移動設(shè)備和可編程邏輯控制器PLC發(fā)送的設(shè)備的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠程服務(wù)器。

遠程服務(wù)器中安裝有實驗室物聯(lián)網(wǎng)安全管理平臺系統(tǒng)，實驗室物聯(lián)網(wǎng)安全管理平臺系統(tǒng)用于對智能移動設(shè)備、可編程邏輯控制器PLC、強電設(shè)備、攝像頭等在線監(jiān)視控制，并對各類設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析、處理、分析、聯(lián)動。實驗室物聯(lián)網(wǎng)安全管理平臺包含網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)配置模塊、人機界面設(shè)計工具、聯(lián)動設(shè)置模塊、腳本計算模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、報警模塊、手機APP、微信發(fā)布模塊。實驗室物聯(lián)網(wǎng)安全管理平臺系統(tǒng)預(yù)留數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口用于后續(xù)實驗室接入時的軟硬件接入。

3 解決方案

本系統(tǒng)針對實驗室不同負載類型選用合理控制方式：用可編程邏輯控制器（PLC）完成燈光自控，可燃、有毒氣體濃度監(jiān)測及排風控制，插座及實驗室總電源控制；空調(diào)遠控接入OneControl智能控制系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測及控制。控制系統(tǒng)如圖2所示。

該設(shè)計方案的特點是設(shè)備智能化控制、集中控制、條件聯(lián)動，且具有強大的接入能力，可接入中央空調(diào)、智能門鎖、照明、水電綜合控制，所有設(shè)備均可遠程通過PC、手機、PAD等完成狀態(tài)監(jiān)測、控制。同時可擴展性強，后期可靈活擴展接入其他設(shè)備，性價比也比較高。

系統(tǒng)中對照明的控制是更換原有斷路器為智能斷路器，可以進行就地及遠程操作，并進行實時狀態(tài)監(jiān)測。

經(jīng)現(xiàn)場考察實驗室內(nèi)氣體環(huán)境復雜，而單一的有毒氣體探測器只能檢測一種氣體?，F(xiàn)針對空氣中有毒氣體大多為有機物的特殊情況配備VOC（可揮發(fā)性有機化合物）探測儀。

在實驗室安裝可燃氣體探測器裝置和有毒氣體探測器，實時監(jiān)測空氣中可燃、有毒有害氣體濃度，PLC根據(jù)所讀取濃度數(shù)據(jù)自行啟、停排風裝置。PLC與現(xiàn)場排風控制箱連接，以保留現(xiàn)場及遠程的手動啟停功能。

在此方案中以現(xiàn)場可燃、有毒氣體濃度自控為優(yōu)先級，即可燃、有毒氣體濃度高于設(shè)定值時無法完成手動停止排風機，更大程度保證安全。另風機電源獨立控制（保留風機電源空開），不受實驗室總控開關(guān)控制，以保證風機電源的接通狀態(tài)。

當監(jiān)測到可燃、有毒氣體濃度高于警戒值時，OneControl智能控制系統(tǒng)會通過發(fā)送手機短信和APP推送的方式通知用戶。

手機端開發(fā)如圖3、4、5所示：

在系統(tǒng)首頁面中我們提供了對所有設(shè)備的全開/全關(guān)操作，顯示了當前實驗室的溫度、VOC值、光照度以及可燃氣體的濃度等，通過首頁面我們可以總體的了解該實驗室設(shè)備的“在線”狀態(tài)。

4 結(jié)語

目前該系統(tǒng)只是一種技術(shù)驗證設(shè)計方案，我校共有500多間實驗室，其中有一半以上的化學生物類實驗室，以及分散在全校的大型儀器。未來我方向是通過該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把全校的大型儀器的管理和共享以及化學生物類實驗室全部納入該系統(tǒng)，并分析各個實驗室的特性指定特定的部署方案。

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【通聯(lián)編輯：王力】