基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理探索

李瑞利 黃卓忻 韋樹貢 宋俊慷

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

隨著社會(huì)科技水平以及經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，對(duì)高質(zhì)量人才的需求也愈來愈大，因此各大高校開始不斷地?cái)U(kuò)招，在此形勢(shì)下，高校實(shí)驗(yàn)室獲得極大發(fā)展，規(guī)模隨之?dāng)U大，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量逐漸增多，從而提高對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理的要求?，F(xiàn)階段，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的安全管理均以人工管理為主，其有效性以及及時(shí)性難以達(dá)到安全管理的標(biāo)準(zhǔn)，且效率也不夠理想，所以，必須積極將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到安全管理中。物聯(lián)網(wǎng)是一種將互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)作為支撐，借助自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)以及R FID 射頻技術(shù)等所建造出來的一種通信網(wǎng)絡(luò)，其可包含多種實(shí)物。隨著信息時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到有效應(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的助力下，許多行業(yè)均實(shí)現(xiàn)智能發(fā)展，例如：智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療以及智能交通等等。在實(shí)驗(yàn)室安全管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使實(shí)驗(yàn)室智慧管理成為現(xiàn)實(shí)，繼而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的有序開展。

一、實(shí)驗(yàn)室安全隱患概述

（一）毒害性隱患分析

在一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，所使用的化學(xué)藥品一般都具有較高毒性，因此極易導(dǎo)致毒害性事故的發(fā)生，導(dǎo)致事故發(fā)生的因素較多，例如：第一，設(shè)備及設(shè)施年久失修，老化嚴(yán)重[1]，具有較為明顯的缺陷問題及故障問題，導(dǎo)致一些有毒氣體以及有毒物質(zhì)排放達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，或者發(fā)生泄漏事件，繼而導(dǎo)致中毒；第二，相關(guān)人員操作不規(guī)范，造成大量有毒氣體及有害物質(zhì)產(chǎn)生；第三，管理不當(dāng)，導(dǎo)致有毒物品沒有得到及時(shí)處理，對(duì)環(huán)境造成污染[2]。

（二）火災(zāi)隱患分析

第一，由于部分人員忘記及時(shí)將電源關(guān)閉，因此導(dǎo)致電器通電時(shí)間超出標(biāo)準(zhǔn)，繼而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生；一些工作人員使用方法錯(cuò)誤或者是操作不規(guī)范，致使易燃物質(zhì)和火源接觸，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生；第三，電線路老化嚴(yán)重。

（三）失竊隱患分析

相關(guān)工作人員沒有檢查好門窗的關(guān)閉情況，同時(shí)一些實(shí)驗(yàn)室的門窗防盜性能不佳，如：鎖或者是門的質(zhì)量不夠理想[3]，窗戶防盜網(wǎng)沒有安裝到位等，均極易導(dǎo)致物品失竊事件的發(fā)生。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)架構(gòu)總共分成三層，第一層：感知層；第二層：網(wǎng)絡(luò)層；第三層：應(yīng)用層。感知層與人體中皮膚以及眼耳鼻喉等感知系統(tǒng)的作用相似，其主要是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來進(jìn)行物體識(shí)別以及信息采集、匯集數(shù)據(jù)等工作，同時(shí)這也是感知層的主要功能。在該安全管理系統(tǒng)中，感知層借助攝像頭、水流量計(jì)、M1IC 卡、電能表以及RFID讀寫器等終端[4]，使門禁系統(tǒng)、水電監(jiān)控以及視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)匯集功能得以實(shí)現(xiàn)。接著是網(wǎng)絡(luò)層，其主要由六個(gè)部分組成，包括網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算平臺(tái)、有線通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及無線通信網(wǎng)等，作用與人體的神經(jīng)中樞相似，主要承擔(dān)對(duì)感知層所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳遞的任務(wù)。在該系統(tǒng)中，對(duì)于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，主要利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行[5]，所收集到的各種數(shù)據(jù)，一般是經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后接入光纖環(huán)網(wǎng)，然后向中央服務(wù)器傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。最后是應(yīng)用層，這一層主要是用戶與物聯(lián)網(wǎng)的接口，在該系統(tǒng)里，又包括三個(gè)層面，即界面、業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)[6]，在業(yè)務(wù)層中，用戶能夠使用門禁管理、水流監(jiān)控、信息管理以及視頻監(jiān)控等相關(guān)服務(wù)功能。對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)，一般情況下，選擇使用FameView 工業(yè)組態(tài)軟件來進(jìn)行，此外，主要在中央服務(wù)器上進(jìn)行配置工作。

（二）實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，其應(yīng)用功能有6 個(gè)，如下：實(shí)驗(yàn)室所有房間的實(shí)際電能使用情況、門禁管理、水流監(jiān)測(cè)以及視頻監(jiān)控、信息傳輸、數(shù)據(jù)分析。

第一，電能監(jiān)測(cè)功能：這一功能通常是對(duì)實(shí)驗(yàn)室各個(gè)房間的實(shí)際用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)及時(shí)處理實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)的用電突發(fā)情況[7]。為使這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，將一個(gè)專門的電能檢測(cè)電氣箱安裝到實(shí)驗(yàn)室中，借助互感器向電力儀表傳輸電氣箱中的電流信號(hào)，繼而達(dá)到對(duì)相應(yīng)電能信號(hào)進(jìn)行采集整合的目的。對(duì)于所采集到的數(shù)據(jù)，需要將其傳輸?shù)焦饫w環(huán)網(wǎng)中，這一目標(biāo)主要通過 ZigBee 無線傳輸來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)成功經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)到達(dá)系統(tǒng)之后，電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)就能被中央服務(wù)器讀取，繼而使實(shí)驗(yàn)室用電情況的數(shù)據(jù)采集功能以及實(shí)時(shí)監(jiān)控功能得以實(shí)現(xiàn)。

第二，門禁管理功能：設(shè)置門禁管理的目的是為避免無關(guān)人員闖入實(shí)驗(yàn)室造成不必要的麻煩。在門禁管理系統(tǒng)查詢清楚相關(guān)人員的信息，且確定其身份與使用的要求以及標(biāo)準(zhǔn)相符后，大門才會(huì)自動(dòng)開啟，讓獲得批準(zhǔn)的人員按順序進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室中，以此來使實(shí)驗(yàn)室的安全得到有效保障。R FID 射頻技術(shù)是門禁系統(tǒng)采集器的主要技術(shù)支撐，其可幫助系統(tǒng)快速、有效地識(shí)別目標(biāo)，同時(shí)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)及信息，并且及時(shí)與數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的信息相對(duì)比，確定信息一致之后，即可允許其進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

第三，水流監(jiān)測(cè)：這一功能主要是為了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際用水情況以及用水安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將水流量計(jì)安裝到實(shí)驗(yàn)室洗手間里，同時(shí)借助光纖環(huán)網(wǎng)在中央控制室與流量計(jì)之間做一個(gè)遠(yuǎn)距離的通信，利用光纖向中央服務(wù)器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，繼而確保水流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)采集相應(yīng)的水流使用數(shù)據(jù)及信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水流使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免浪費(fèi)水的情況出現(xiàn)。

第四，視頻監(jiān)控功能：將一些自動(dòng)識(shí)別光線的攝像頭安裝到實(shí)驗(yàn)室各個(gè)房間里，接著采取客戶端軟件和紅外攝像頭來使視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集以及及時(shí)傳送得以實(shí)現(xiàn)，相關(guān)工作人員能夠借助界面來將歷史監(jiān)控畫面以及實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面調(diào)出；

第五，信息傳輸功能：功能作用對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備以及使用實(shí)驗(yàn)室人員的信息，主要功能具體為：及時(shí)錄入、隨時(shí)查詢以及有效修改。

第六，數(shù)據(jù)分析。這一功能主要是將所收集到的水電信息匯總，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，借助曲線圖以及報(bào)表的方式來將這些數(shù)據(jù)輸出。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）構(gòu)建通信鏈路

借助光纖收發(fā)器來形成實(shí)驗(yàn)室通信環(huán)形鏈路，在這樣的情況下，一些其他的設(shè)備以及設(shè)施在進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，只用把協(xié)議變成TCPIP 協(xié)議就能達(dá)到目的[8]，借助服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙高速讀取、安全讀取、穩(wěn)定讀取，同時(shí)寫入時(shí)也可具備這些要素。設(shè)施設(shè)備的通信方式實(shí)現(xiàn)路徑主要有下列四個(gè)：

第一，在儀表獲得相關(guān)的水流量數(shù)據(jù)之后，AIBUS 協(xié)議會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且將其傳輸至PLC，PLC 利用串口服務(wù)器把PPI 協(xié)議變成PPI/TCP，借助光電轉(zhuǎn)換功能，使數(shù)據(jù)與光纖環(huán)網(wǎng)相連；

第二，電力儀表采集數(shù)據(jù)，儀表協(xié)議為Modbus。向ZegBee 協(xié)調(diào)器傳送 Modbus 數(shù)據(jù)，然后協(xié)調(diào)器會(huì)把所獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?TCP/IP，由于Modbus 是原始協(xié)議，因此在轉(zhuǎn)換之后，協(xié)議為Modbus/TCP，進(jìn)入光纖環(huán)網(wǎng)通信。

第三，R FID 采集器配備有串口協(xié)議，因此，在門禁讀卡器完成相應(yīng)的人員身份信息識(shí)別工作之后，會(huì)得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)及信息，借助串口，能夠向PLC 傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，PLC 借助串口服務(wù)器把相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成PPI/TCP，繼而達(dá)到向光纖環(huán)網(wǎng)鏈路傳輸門禁數(shù)據(jù)的目的。

第四，在全部設(shè)施設(shè)備借助TCP 將數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)網(wǎng)后，將環(huán)網(wǎng)作為中介工具，服務(wù)器即可獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后向數(shù)據(jù)庫輸送所獲得的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速讀取、數(shù)據(jù)有效處理、數(shù)據(jù)深入挖掘、數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)有效控制。

（二）數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

為使實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)得到實(shí)現(xiàn)，將攝像頭以及電能檢測(cè)電氣箱接入實(shí)驗(yàn)室中的所有子實(shí)驗(yàn)室房間，同時(shí)將水流量計(jì)安裝在實(shí)驗(yàn)室每一樓層兩端的洗手間里。將R FID 讀卡器安裝到實(shí)驗(yàn)室的大門上。

第一，采集水流量。將采集儀表以及旋進(jìn)旋渦流量計(jì)安裝大洗手間的管道中，在流量計(jì)中配置有專門的ADC 電路，把模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換之后，將其傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫里，繼而能夠?qū)λ魇褂们闆r進(jìn)行及時(shí)的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。

第二，采集電量。將電能監(jiān)測(cè)電氣箱安裝到實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)電氣箱進(jìn)行檢查，確保其配有互感器，然后利用ZigBee 終端來向中央控制柜中的ZigBee 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換之后，數(shù)據(jù)會(huì)被輸送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，繼而使電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及實(shí)時(shí)監(jiān)控得到實(shí)現(xiàn)。

第三，采集視頻。攝像頭包括兩種類型，即帶云臺(tái)球機(jī)攝像頭以及海康球機(jī)攝像頭，可以利用組態(tài)軟件來調(diào)動(dòng)攝像頭及其功能。

第四，采集相應(yīng)的門禁信息。R FID 技術(shù)是門禁系統(tǒng)的支撐，構(gòu)成部分有三個(gè)，即PLC、標(biāo)簽以及讀卡器。在讀卡器讀入標(biāo)簽數(shù)據(jù)之后，借助串口編程，能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)輸送給PLC，PLC 會(huì)將讀卡器輸送給服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，然后服務(wù)器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際分析情況以及處理情況，對(duì)不同情況進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)將情況的相關(guān)信息及數(shù)據(jù)記錄下來。

結(jié)語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也逐漸趨于成熟化，在實(shí)驗(yàn)室的安全管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠使設(shè)施設(shè)備的安全得到一定保障，并且能夠進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)人員以及實(shí)驗(yàn)設(shè)施管理控制的效率及質(zhì)量。本文將實(shí)驗(yàn)室的門禁管理、水電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及視頻監(jiān)控作為主要切入點(diǎn)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全管理中的應(yīng)用進(jìn)行分析，其將多種協(xié)議、傳感器以及傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到安全管理系統(tǒng)中，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室安全管理的智能化發(fā)展以及現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅有助于明確實(shí)驗(yàn)室安全管理的方向，并且可以進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室安全管理的效果，最終為教學(xué)科研服務(wù)提供有效地幫助。