物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室安全管理中的應(yīng)用

史蓓蕾， 張秀山， 陳修亮

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢430033)

0 引言

隨著高校的擴招，高校實驗室不斷發(fā)展，實驗室規(guī)模不斷增大，需要管理的保障設(shè)施、實驗設(shè)備越來越多，有些實驗設(shè)備還十分復(fù)雜和昂貴，另外，實驗室秩序也需要有效監(jiān)管。目前的實驗室安全監(jiān)管方式主要是人工管理，不僅十分低效，而且監(jiān)管的及時性和有效性、人力資源都難以保證，因此，如何確保實驗室的安全使實驗室變得智慧起來顯得越來越重要。

物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用微電子技術(shù)、RFID射頻技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等構(gòu)造的包含很多實物的通信網(wǎng)絡(luò)。21世紀(jì)是物聯(lián)網(wǎng)通信時代，物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)智慧地球，這是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的未來趨勢。目前我國物聯(lián)網(wǎng)運用領(lǐng)域包括智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能工業(yè)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療等。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實驗室安全管理，進而逐步實現(xiàn)智慧實驗室，以保障實驗教學(xué)工作的順利開展，具有重要的現(xiàn)實意義［1-3］。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用需求

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安全管理系統(tǒng)是通過添加實驗室實時監(jiān)控和智能控制等功能，讓實驗室的安全管理信息化，提高實驗室安全管理的科技水平，為實驗室的信息化和智能化打下基礎(chǔ)，以最終能實現(xiàn)“智慧實驗室”作為發(fā)展目標(biāo)。該系統(tǒng)具體需求如下［4］:

(1)取代過去實驗室人員和設(shè)備信息手工登記管理方式，實現(xiàn)實驗室資源信息化管理，方便實驗室資源共享，對設(shè)備和人員信息能進行管理、分析和統(tǒng)計。

(2)對實驗室的水、電進行實時監(jiān)測，并能對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，對實驗室用水、用電安全進行監(jiān)控，并提供友好的觀測界面。

(3)對實驗室各個房間進行視屏監(jiān)控，并能提供視頻歷史回放功能，以防止各種安全意外的發(fā)生。

(4)實現(xiàn)實驗室的門禁控制功能，只有授權(quán)通過的實驗室人員才能通過刷卡進入實驗室，增加實驗室的安全性。

1.2 系統(tǒng)性能要求

該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是能切實推廣應(yīng)用于高校實驗室的安全管理，因此必須滿足能長期穩(wěn)定運行的要求。所以系統(tǒng)需要滿足以下性能要求［5-6］:

(1)系統(tǒng)完整性。完整性是衡量一個系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)志。本系統(tǒng)在需求分析階段，實地調(diào)研，深入研究基于物聯(lián)網(wǎng)實驗室安全管理的需求，形成完整的需求分析文檔;在開發(fā)階段，應(yīng)充分考慮該系統(tǒng)的現(xiàn)有功能和擴展性;在測試階段，完整測試系統(tǒng)的所有功能。

(2)系統(tǒng)可靠性。該系統(tǒng)實時采集實驗室的水、電使用數(shù)據(jù)，并對實驗室進行實時監(jiān)控，屬于實時系統(tǒng)，必須要有很好的系統(tǒng)可靠性。

(3)系統(tǒng)可擴展性。物聯(lián)網(wǎng)包括感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層次，每個層次都有各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)，一般采用模塊化設(shè)計思想，各模塊之間要遵循統(tǒng)一的電氣和數(shù)據(jù)接口，可以自由組合重構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)體系架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等感知系統(tǒng)，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的手段，其主要功能是識別物體、采集信息、數(shù)據(jù)匯聚等。在本系統(tǒng)中感知層采用水流量計、電能表，攝像頭、RFID讀寫器和M1 IC卡等感知終端，用來實現(xiàn)水、電監(jiān)控，視頻監(jiān)控和門禁系統(tǒng)的采集和匯聚功能。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和云計算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。本系統(tǒng)中應(yīng)用了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)短距離的數(shù)據(jù)傳輸功能，采集的各類數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換接入光纖環(huán)網(wǎng)，并最終將數(shù)據(jù)匯總至中央服務(wù)器。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口。在該系統(tǒng)中，分為界面層(UI)、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，其中在業(yè)務(wù)層，給用戶提供了水流監(jiān)控、電能監(jiān)控、視頻監(jiān)控、門禁管理、信息管理和統(tǒng)計分析等功能。系統(tǒng)整個應(yīng)用層采用FameView工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)，配置在中央服務(wù)器上［7-9］。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

主要的應(yīng)用功能包括實驗室衛(wèi)生間的水流監(jiān)測，實驗室各個房間的電能使用情況監(jiān)測和視頻監(jiān)控，以及門禁管理功能［11］。

(1)水流監(jiān)測。該功能主要是實時監(jiān)測實驗室用水安全情況。為實驗室洗手間安裝水流量計，并在流量計和中央控制室之間利用光纖環(huán)網(wǎng)做遠(yuǎn)距離通信，使用光纖傳輸數(shù)據(jù)至中央服務(wù)器，實現(xiàn)對用水情況的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能。

(2)電能監(jiān)測。該功能主要是實時獲取實驗室的用電情況，并對實驗室用電突發(fā)情況做出處理。為達到此目的，在實驗室中裝有專用電能檢測電氣箱，其中通過互感器將電氣箱中的電流信號傳至電力儀表，完成常規(guī)電能信號的采集。將采集到的數(shù)據(jù)使用ZigBee無線傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸至光纖環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)進入到系統(tǒng)后，中央服務(wù)器就可讀取電能表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對用電情況的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能。

(3)視頻監(jiān)控。該功能主要實現(xiàn)對實驗室情況的實時監(jiān)控。在實驗室各房間安裝自動識別光線的攝像頭，利用紅外攝像頭及客戶端軟件實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸，用戶最終可通過使用界面，調(diào)出實時監(jiān)控畫面以及歷史畫面。

(4)門禁管理。該功能主要用于識別實驗室使用人員身份，符合要求才獲準(zhǔn)進入，以確保實驗室的安全。門禁系統(tǒng)采集器利用RFID射頻技術(shù)識別目標(biāo)標(biāo)簽并獲取相關(guān)信息，并和數(shù)據(jù)庫中信息進行比對，信息一致，便獲準(zhǔn)進入實驗室。

(5)信息管理。該功能主要實現(xiàn)對實驗室的信息進行管理和資源共享。通過對人員和設(shè)備信息的錄入、查詢、修改功能，實現(xiàn)對實驗室的信息數(shù)字化。

(6)數(shù)據(jù)分析。該功能實現(xiàn)對采集到的水、電等信息進行匯總、統(tǒng)計和分析，并能形成各類報表和曲線圖進行輸出。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)通過光纖環(huán)網(wǎng)方式，將RFID、紅外報警視頻、水流量、電力參數(shù)等信息上傳至中央服務(wù)器，通過中央服務(wù)器被操作人員觀察以及操作，組成C/S結(jié)構(gòu)，形成集中控制模式。中央服務(wù)器可記錄實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并形成報表、曲線、數(shù)據(jù)包等形式供分析和查證。圖2為物聯(lián)網(wǎng)實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)［12］。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)基本組成架構(gòu)

中央服務(wù)器和控制柜位于中央控制室內(nèi)，所有信號集成到中央服務(wù)器內(nèi)，服務(wù)器內(nèi)安裝FameView組態(tài)軟件。中央控制柜內(nèi)設(shè)有224CPU、串口服務(wù)器、光纖交換機、ZigBee協(xié)調(diào)器、PLC控制器、光纖轉(zhuǎn)換盒、硬盤錄像機、視頻切換矩陣、工控機、顯示器等設(shè)備。

3.1 通信鏈路的組建

通信鏈路采用光纖環(huán)網(wǎng)方案，由多個光纖收發(fā)器將整個區(qū)域通信形成環(huán)形鏈路，其他設(shè)備只需要將協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCPIP協(xié)議即可順利進入系統(tǒng)，通過服務(wù)器可與其進行全雙工高速、穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)讀取與寫入。其他設(shè)備通信方式分別為串口、以太網(wǎng)、ZigBee。具體實現(xiàn)如下［13］:

(1)儀表得到水流量數(shù)據(jù)后，AIBUS協(xié)議由PLC自由口編程，將數(shù)據(jù)采集到PLC，PLC得到數(shù)據(jù)后通過串口服務(wù)器將PLC的PPI協(xié)議轉(zhuǎn)成PPI/TCP，由光電轉(zhuǎn)換功能模塊將數(shù)據(jù)接入光纖環(huán)網(wǎng)。

(2)電力儀表采集電力數(shù)據(jù)，儀表協(xié)議為Modbus。通過Zegbee終端無線傳輸方式將Modbus數(shù)據(jù)透傳至ZegBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器自身將所得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成TCP/IP，因原始協(xié)議為Modbus，則轉(zhuǎn)換后的協(xié)議為Modbus/TCP，即可進入光纖環(huán)網(wǎng)通信。

(3)RFID采集器帶有串口協(xié)議，當(dāng)門禁讀卡器得到數(shù)據(jù)后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，PLC通過串口服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PPI/TCP，由此將門禁數(shù)據(jù)傳送至光纖環(huán)網(wǎng)鏈路。

(4)所有設(shè)備成功將數(shù)據(jù)通過TCP方式進入環(huán)網(wǎng)，服務(wù)器通過環(huán)網(wǎng)得到所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)庫進行讀取、存儲、處理、控制和數(shù)據(jù)挖掘等。

3.2 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

為了能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集，實驗室下設(shè)的5個子實驗室房間均接入了電能檢測電氣箱和攝像頭，在實驗室樓層兩端的2個洗手間內(nèi)加裝了水流量計。在實驗室大門處，安裝了RFID讀卡器。

(1)水流量采集。在兩個洗手間管道上配有旋進旋渦流量計和采集儀表，流量計配有ADC電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。最終數(shù)據(jù)在解析轉(zhuǎn)換后被傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)水流量數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和統(tǒng)計分析功能。

(2)電量采集。在電能監(jiān)測電氣箱內(nèi)，主空開三相線路配有互感器，通過互感器將電流信號傳至電力儀表，通過ZigBee終端將數(shù)據(jù)透傳給中央控制柜中ZigBee協(xié)調(diào)器，經(jīng)過解析轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)電量相關(guān)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和統(tǒng)計分析。

(3)視頻采集。攝像頭采用?？登驒C和帶云臺球機攝像頭兩種類型。?？禂z像頭自帶客戶端，能打開設(shè)備，并通過組態(tài)軟件調(diào)用其執(zhí)行文件。

(4)門禁信息采集。門禁系統(tǒng)采集器利用RFID技術(shù)，采集系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:標(biāo)簽、讀卡器、PLC。讀卡器將標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀入后，通過串口編程將數(shù)據(jù)傳入PLC，PLC得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器通過數(shù)據(jù)分析處理，響應(yīng)不同情況，記錄不同情況等。服務(wù)器分析完后，發(fā)送命令給PLC，通過PLC實現(xiàn)電路控制，如門磁開關(guān)、報警燈開關(guān)等。

3.3 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

如圖3所示為系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的主界面，主要有電能、水流量監(jiān)測，安防監(jiān)控子系統(tǒng)、報表打印和出入管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)操作方便，可視性強，可以對不同房間的水電、視頻進行實時監(jiān)測。

圖3 系統(tǒng)主界面

4 結(jié)語

本文首先對實驗室的傳統(tǒng)管理方式的不足進行分析，然后提出可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室的水電實時監(jiān)測、視頻監(jiān)控和門禁管理等方面，應(yīng)用了多種傳感器、多種傳輸網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安全管理系統(tǒng)。這對進一步建設(shè)現(xiàn)代化、智能化的實驗室安全管理是一次有益嘗試。物聯(lián)網(wǎng)為實驗室的安全管理提供了一種新的思路，能更高效保證安全，確保實驗室最大限度地為教學(xué)科研服務(wù)［14-15］。