物聯(lián)網(wǎng)技術在高校實驗室安全管理的應用研究

柴群

摘要：該文利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、電力載波通信等技術，結合當前高校實驗室安全管理現(xiàn)狀，，將物聯(lián)網(wǎng)和電力載波通信技術應用到實驗室安全管理中，討論實驗室安全管理系統(tǒng)設計模型，從而提升實驗室安全管理的水平。

關鍵詞：傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；電力載波通信；實驗室安全

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0011-02

實驗室是高等學校進行科研、教學、實踐的重要組成部分，隨著實驗室建設力度的加大，實驗室的安全管理是實驗室管理工作中及其重要的內(nèi)容之一。如何有效的，快速的發(fā)現(xiàn)安全隱患，并將事故消除在萌芽階段，這也是實驗室管理者一直在研究的內(nèi)容之一。

現(xiàn)階段，各高校老舊實驗室同時并存，安防系統(tǒng)布線不便，建設成本過高等實際情況，本文提出引入傳感器，物聯(lián)網(wǎng)，電力載波通信（PLC）等技術來設計一套高校實驗室安全管理系統(tǒng)，綜合管理高校實驗室。

1 關鍵技術簡介

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)采集信息的終端工具，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，由各種傳感器組成的網(wǎng)絡被稱為無線傳感器網(wǎng)。傳感器的類型有很多，包括溫度、壓力、微振、水生，空氣，紅外，人體，氣味，顏色等，完全能夠滿足實驗室偵測需要。

物聯(lián)網(wǎng)也是“傳感網(wǎng)”在國際上的通稱，其目的是實現(xiàn)萬物互聯(lián)，最終實現(xiàn)智能網(wǎng)絡。從技術上來看，物聯(lián)網(wǎng)具有3個特征：全面感知、信息傳遞可靠，智能處理。根據(jù)這三個特征，物聯(lián)網(wǎng)結構可以大致分為3個層次：傳感網(wǎng)絡、傳輸網(wǎng)絡、應用網(wǎng)絡。傳感網(wǎng)絡負責采集數(shù)據(jù)，傳輸網(wǎng)絡負責傳輸傳感網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)，應用網(wǎng)絡負責處理數(shù)據(jù)。

電力載波通信技術是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。該技術可以保證在數(shù)據(jù)傳輸時不要大規(guī)模的重新布線，使用已有的電力線就可以進行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約布線的成本。

2 系統(tǒng)模型設計

系統(tǒng)參考物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構，構建實驗室安全管理系統(tǒng)模型，如圖1：

數(shù)據(jù)采集層是由各種類型的傳感器組成，負責數(shù)據(jù)的收集，每個實驗室內(nèi)根據(jù)需要部署一種或多種傳感器，這些傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度，煙霧，火焰，人體）等信息，并對收集到的信息進行匯總、處理，并將處理后的結果傳遞給數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)，電力網(wǎng)，無線傳感器等網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)及時傳遞給數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層對收集到的數(shù)據(jù)進行分類處理。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)

實驗室安全管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)，實驗室安全管理系統(tǒng)服務器和管理終端構成，系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee的技術特性決定它將是無線傳感器網(wǎng)絡的最好選擇，廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)，自動控制和監(jiān)視等諸多領域。

以美國Ti公司CC2430/CC2530芯片為代表的 Zigbee SOC解決方案是應用最為廣泛的一種物聯(lián)網(wǎng)解決套件，其集成了51單片機內(nèi)核。TI開發(fā)套件由專業(yè)人士精心設計，具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開發(fā)模板、完整的原理圖及例程源碼。 針對CC2430/CC2530芯片的Zigbee開發(fā)套件可與IAR for MCS-51 集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，操作方便、連接方便、簡單易學，是學習開發(fā)Zigbee產(chǎn)品最好最實用的開發(fā)工具。通過USB接口連接電腦，具有代碼高速下載，在線調(diào)試，斷點、單步、變量觀察，寄存器觀察等功能，實現(xiàn)對CC2430/CC2530系列無線單片機實時在線仿真、調(diào)試。

因為TI CC2430/CC2530套件優(yōu)異的性能和廣泛的市場占有率，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由搭載Zigbee芯片的CC2530的TI板作為數(shù)據(jù)采集端的MCU（Single Chip Microcomputer，單片微型計算機）進行數(shù)據(jù)控制，通過變壓器采用室內(nèi)照明電路單獨供電，配有電力載波模塊。每個實驗室構成一個單元，在每個單元內(nèi)根據(jù)需要有選擇的部署火焰、煙霧，人體紅外、圖像、RFID等多種傳感器，通過繼電器控制開關傳感器，對于耗電量大的圖像、RFID等傳感器，采用變壓器連接室內(nèi)照明電路供電，單元內(nèi)的所有傳感器利用ZigBee芯片進行組網(wǎng)。每單元的MCU負責數(shù)據(jù)對收集到的數(shù)據(jù)向樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)傳遞。

3.2 樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)

樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)也是由CC2530的TI板作為數(shù)據(jù)處理的MCU，配有電力載波模塊、短信模塊和7英寸顯示屏。樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間主要通過電力載波網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到實驗室管理員不可能隨時都在實驗室內(nèi)管理實驗室，在樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)短信模塊，當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到異常信息時，通過短信模塊主要用于向預先存儲的手機號異常信息，如異常入侵，火災報警等險情。平常安全巡查時，實驗室管理員通過顯示屏用來查看所負責單元的實時狀態(tài)。

3.3 實驗室安全管理系統(tǒng)服務器

實驗室安全管理系統(tǒng)服務器主要用來分類存儲樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的原始信息，以備事后檢查。除此之外，服務器還用來存儲實驗室安全管理系統(tǒng)，用于人員、信息顯示、分析等功能。

3.4 管理終端

為了便于實驗室管理，實驗室安全管理系統(tǒng)應當能夠利用各種主流終端通過遠程訪問，方便管理者隨時隨地查看實驗室的狀況，及時處理可能遇到的各種安全隱患。

4 實驗室安全管理系統(tǒng)設計

根據(jù)軟件設計工程原則，對實驗室安全管理系統(tǒng)進行設計，主要涉及用戶管理，信息管理，報警管理等，可以實現(xiàn)管理員增加與刪除，修改登錄密碼；查詢歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，導出數(shù)據(jù)，消除警報信息等，使系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測實驗室狀況，最大限度地保障實驗室的安全。

5 總結

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠有效進行實驗室安全管理，同時解除了人力資源，設備資源的利用率，給高校實驗室管理工作創(chuàng)造了新思路，下階段將對該新系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)實驗安全管理的智能化。

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【通聯(lián)編輯：梁書】