基于信息化平臺的高校實驗室監(jiān)管系統(tǒng)研究

許 諾，黃浪塵，周文柱，李 通

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，株洲 412007）

隨著國家積極推進新工科建設，借助高等教育促進產業(yè)變革與社會發(fā)展， 各大高校紛紛響應號召，將理論教學與創(chuàng)新實踐相結合，致力于培養(yǎng)學以致用、適應社會需求的新工科人才[1]。 高等教育的發(fā)展促進了高校實驗室的建設，近年來，高校實驗室的數量、種類與規(guī)模都在不斷擴大，與此同時，實驗室安全與管理問題頻頻發(fā)生，教學與科研事故也時有發(fā)生[2]。 實驗室是高校教學與科研的重要場所，確保安全有序地建設與使用高校實驗室，要在實驗室環(huán)境監(jiān)測，實驗室日常使用管理兩方面著手。

實驗室中的實驗用品種類繁多、 關系復雜，生物、化學等專業(yè)的實驗室更是不乏有毒有害、易燃易爆的實驗試劑與實驗氣體。 即使該類危險實驗用品有專門的儲存環(huán)境、取用劑量和使用流程，但由于高校實驗室的實驗操作人員多是學生，其安全意識、實驗技能都有待提高[3]，因此高校實驗室存在客觀的安全隱患。 為了改善高校實驗室的安全與管理問題，最大程度降低實驗室事故的發(fā)生，急需一套新型安全監(jiān)管平臺，清除安全隱患。

1 平臺架構

平臺下位機由多種環(huán)境監(jiān)測傳感器組成的監(jiān)測模塊和用于應急行動的救援組件構成，在STM32的控制下，通過WiFi 模塊連接路由器，實時上傳實驗室中的監(jiān)測數據；上行數據流由MQTT 消息代理服務器集群接收，并將其過濾后分發(fā)給云服務器中不同的消息訂閱者；上位機中的微信小程序通過云函數將云服務器中的環(huán)境數據顯示在終端界面上。用戶通過終端頁面發(fā)布下行命令，通過MQTT 消息代理服務器集群將命令傳到所在的實驗室，驅動排氣扇等組件工作。 平臺架構如圖1 所示。

圖1 平臺架構圖Fig.1 Platform architecture diagram

1.1 終端模塊

考慮到高校學生用戶的實際情況，終端軟件采用微信小程序開發(fā)。 微信小程序具有無需下載安裝、可跨平臺運行的優(yōu)點，相較于專門的手機APP或Web 網站而言更加輕便高效；同時微信小程序開發(fā)成本較低、開發(fā)效率更高，結合微信小程序云開發(fā)方式可以滿足平臺的各種功能需求。

微信小程序模塊主要包括客戶端、 云服務器、數據源3 個部分。 小程序客戶端通過框架開發(fā)，其中框架由視圖層（View）和邏輯層（App Service）兩部分構成。 視圖層采用WXML 和WXSS 編寫，用于前端頁面的渲染展示；邏輯層采用JavaScript 編寫，負責客戶端的數據處理和事件反饋。 云函數在云服務器的Node.js 環(huán)境中響應前端調用，借助云服務提供的豐富的API 接口實現各種功能。 數據源包括數據庫和云存儲兩部分， 平臺數據以JSON 格式存儲在數據庫中，文件存儲在云存儲中并將該文件唯一標識符返回存儲于數據庫中，客戶端通過云函數調用數據庫及云存儲中的數據并返回展示在前端界面上。 微信小程序架構如圖2 所示。

圖2 微信小程序架構圖Fig.2 WeChat applet architecture diagram

1.2 通信模塊

（1）WiFi 模塊。平臺采用ESP8266 WiFi 模塊實現下位機與服務器的通信。ESP8266 WiFi 模塊使用串口與單片機通信，采用TCP/IP 協議棧，可以實現串口與WiFi 之間的數據轉換， 該模塊供電范圍為3.0 V～3.6 V， 供電電流需大于500 mA。 ESP8266 WiFi 模塊可以通過ESP-AT 指令固件為STM32 單片機提供WiFi 連接功能，該模塊具有體積較小，性能穩(wěn)定，運行功耗低等優(yōu)點。 它支持3 種工作模式，即STA，AP 以及STA+AP 模式，平臺主要采用STA 模式，通過路由器與互聯網連接，在手機終端可以通過互聯網接收下位機監(jiān)測數據以及遠程控制下位機工作。

（2）MQTT 消息代理服務器。 MQTT（message queuing telemetry transport——消息隊列遙測傳輸）是IBM 公司發(fā)明的一項應用于物聯網通信的消息傳遞技術。 MQTT 是基于發(fā)布與訂閱模式來進行通信及數據交換的一種消息代理服務器。 訂閱者向MQTT 服務器訂閱一個主題，MQTT 服務器會將接收到的該主題下的消息轉發(fā)給該主題所有的訂閱者。MQTT 消息代理服務器也稱為MQTT Broker，它可以是運行了MQTT 消息服務器軟件的一臺服務器或一個服務器集群。 MQTT Broker 負責接收來自客戶端的網絡連接，并處理客戶端的訂閱與取消訂閱、消息發(fā)布等請求，同時也會將客戶端發(fā)布的消息轉發(fā)給其他訂閱者[4]。

1.3 監(jiān)測模塊

平臺的監(jiān)測模塊是一組由多種環(huán)境傳感器組成的傳感器陣列，監(jiān)測模塊負責實驗室環(huán)境數據的采集，其中環(huán)境數據包括溫濕度、煙霧、甲烷、氫氣、一氧化碳濃度等。溫濕度采用DHT11 數字傳感器監(jiān)測[5]，氣體主要采用MQ 系列氣體傳感器監(jiān)測，在20 ℃，55%RH 標準下，各種環(huán)境指標及其對應的監(jiān)測傳感器量程如表1 所示。

表1 監(jiān)測傳感器選型及其量程Tab.1 Monitoring sensor selection and its range

為提高測量精度，同一實驗室內安裝多部傳感器，上位機接受到測量數據后，需要對多條數據進行數據融合處理。 采用支持度函數算法為多條測量數據分配權重[6]。

對于有n 個傳感器，n 條測量數據為T1，T2，…，Tn。 傳感器間的相互距離為Dij，其中i，j∈（1，n），i≠j。 對相互距離進行歸一化處理，如式（1）所示：

式中：dij越大，表示兩傳感器間距離越大，其測量數據的相互支持度越低， 定義支持度函數如式（2）所示：

式中：Sij表示傳感器i，j 之間的支持度，Sij∈［0，1］；a為一常數。

定義一致性函數如式（3）所示，用以表征第i 條數據與其他數據的一致性。 對于一致性較大的數據，應給予較大的權重，定義第i 路數據所占權重Qi如式（4）所示：

于是對于n 條測量數據綜合各自權重的最終融合數據如式（5）所示：

2 平臺功能

平臺總體功能如圖3 所示，分為監(jiān)測保護與管理教學兩部分。 在監(jiān)測保護界面用戶可以查看實時環(huán)境數據、接收環(huán)境預警信息、開啟通風設施等；在管理教學界面，用戶可以進行簽到考勤、登記使用儀器與試劑、參加安全教育等操作。

圖3 平臺功能Fig.3 Platform function

2.1 數據監(jiān)測

如圖4 所示，用戶進入“實驗室助手”平臺，點擊底部“安全監(jiān)測”欄，選擇所在的實驗室，可以在“實時數據”一欄查看實時環(huán)境數據，點擊“歷史數據”一欄，可以看到過去6 小時的數據統(tǒng)計折線圖。

圖4 環(huán)境數據監(jiān)測功能Fig.4 Environmental data monitoring function

2.2 預警報警

當某類氣體的數值達到預警閾值時，平臺將自動開啟排氣扇等應急設施并立即向用戶和實驗室管理員發(fā)送預警信息，提醒該類氣體達到預定警戒閾值，要求排查處理。 當該類氣體濃度繼續(xù)提高達到報警閾值時，平臺將自動開啟所在實驗室的聲光報警燈，并給用戶發(fā)送撤離實驗室的警告信息。 如表2 所示，在20 ℃，101.325 kPa 下，設置預警閾值濃度為該種氣體爆炸下限濃度[7]或國家規(guī)定下限濃度的20%，報警閾值濃度為該種氣體下限濃度的50%。

表2 預警報警閾值Tab.2 Early warning alarm threshold

2.3 簽到考勤

實驗人員也是實驗室安全隱患的一個主要來源，應該防止非實驗人員擅自進入實驗室以及記錄實驗人員日常簽到數據。 如圖5 所示，用戶在“日常管理”欄進行簽到考勤，對應的身份信息和簽到的時間地點會被保存到云端數據庫中，實驗室管理人員可以在后臺查看考勤記錄，用戶也可以在“我的主頁”查看自己的考勤記錄。

圖5 實驗室管理功能Fig.5 Laboratory management functions

2.4 使用記錄

實驗室中的一些珍貴儀器應該在實驗室管理人員批準后才能使用； 一些危險或昂貴的試劑、藥品等也應該在管理人員授權下按規(guī)定流程和規(guī)定劑量使用。 實驗人員需要先在平臺上申請相應儀器或試劑后才能使用，如果所申請的儀器有質量問題或缺少相應試劑，則可以在平臺上報修儀器或報缺試劑，通知實驗室管理人員處理。

2.5 安全教育

許多實驗室安全事故都是由于實驗人員的操作不當或者安全意識淡薄造成的。 實驗室安全監(jiān)測與管理平臺的主要用戶為高校學生，用戶群體實驗技能薄弱，實踐經歷較少，安全意識不夠到位，因此平臺應當具備實驗室安全教育與實驗技能培訓功能。 平臺設置最少學習時間，學生進入實驗室前必須完成平臺分配的學習任務，系統(tǒng)地學習實驗室安全知識，保證實驗室安全教育培訓效果，降低學生在實驗操作中的潛在安全隱患[8]。

3 平臺測試

平臺下位機在湖南工業(yè)大學電氣學院電子控制實驗室部署測試。 下位機采用2 節(jié)3.7 V 鋰電池供電，采用STM32F103C8T6 核心板控制，主要傳感器包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等。 下位機實物如圖6 所示。

圖6 平臺下位機Fig.6 Platform lower computer

（1）環(huán)境監(jiān)測與上行數據測試。從微信小程序“安全監(jiān)測”界面讀取7 個時間點的溫度數據作為測量值，用水銀溫度計測量對應時刻的實驗室溫度作為標準值，測試數據與標準數據對比如圖7 所示。 從對比圖可以看出，測量值與標準值的誤差在±2%范圍內，該誤差范圍可以滿足實驗室日常安全監(jiān)測所需精度。選取實驗室常見氣體一氧化碳與甲烷進行實時取樣監(jiān)測，測量數據如圖8 所示，監(jiān)測讀取與數據上行正常。

圖7 溫度數據對比圖Fig.7 Temperature data comparison chart

圖8 一氧化碳與甲烷濃度測量值Fig.8 Carbon monoxide and methane concentration measurements

（2）場景模擬與下行命令測試。 選取若干實驗室模擬場景進行測試，平臺反應如表3 所示，滿足預期設計要求。

表3 模擬場景下平臺響應測試Tab.3 Platform response test in simulated scenario

4 結語

本文針對傳統(tǒng)實驗室實際運行的痛點，提出了新型信息化監(jiān)管平臺， 采用實物模型進行驗證，驗證結果表明：實驗室自主預警、隱患排查、簽到考勤、設備報修、安全教育、技能培訓等均滿足新型監(jiān)管平臺要求。 本研究結果對高校實驗室運行、管理具有一定的指導意義。