高校實驗室?；分悄軐Ｓ霉窦肮芾硐到y(tǒng)設(shè)計

鄭宏，房亞兵，李孟昕，劉志遠(yuǎn)，劉睿萍

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）機(jī)械工程學(xué)部，山東 濟(jì)南 250353）

0 引言

近年來，隨著我國科研水平的提升，高校使用的危險化學(xué)品的種類及數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。但在高校實驗室安全事故中，因危化品管理不當(dāng)引發(fā)的事故占76%以上。因此，?；饭芾硎歉咝嶒炇野踩芾淼闹攸c(diǎn)。

基于目前市面上現(xiàn)存的?；穬Υ婀竦膬r格昂貴、智能化程度低、缺乏對?；啡鞒痰陌踩芾砗捅O(jiān)測，因此，本項目擬設(shè)計研發(fā)一種可回溯[1]、可預(yù)警、可降險的智能?；钒踩珜Ｓ霉窦捌渑涮椎墓芾硐到y(tǒng)，并集成物聯(lián)網(wǎng)模塊，全方位、全流程實時跟蹤監(jiān)測危化品的存儲、使用及其廢棄物的處理和回收，從而實現(xiàn)對危化品的智能化、精細(xì)化管理。

1 整體設(shè)計

1.1 ?；反鎯窨傮w外觀設(shè)計

專用柜根據(jù)?；返幕瘜W(xué)性質(zhì)分為黃色、紅色、藍(lán)色、灰色以及白色5 個分柜，分別代表易燃化學(xué)品存儲柜、易爆?；反鎯瘛⒏g性化學(xué)品存儲柜、易制毒化學(xué)品存儲柜、壓縮/液化氣體氣瓶存儲柜，分柜通過云端進(jìn)行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)實時錄入，其外觀整體圖如圖1 所示。

圖1 專用柜外觀整體圖

1.2 內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

每個柜體內(nèi)部均采用多宮格式分布，將柜體分為多個方格體[2]，每個單元格都單獨(dú)存放一種化學(xué)試劑，便于實現(xiàn)?；贩诸惔娣偶坝脩艨焖倬珳?zhǔn)地查找。

?；穬Υ婀穹譃橥獠繗んw和內(nèi)部儲存格，兩者之間設(shè)有對應(yīng)的卡槽，實現(xiàn)分柜模塊化組裝。內(nèi)部儲存柜門上裝有小型電子鎖，通過藍(lán)牙通訊信號與觸控平臺終端連接，控制電子鎖開關(guān)，實現(xiàn)精準(zhǔn)取用試劑。每個方格底部放置一個盤底空腔，空腔底部內(nèi)側(cè)壁緊貼著弧形的儲油室，頂部連接有頂桿，頂桿頂端設(shè)有防滑、防腐蝕的環(huán)氧脂置板，用于放置試劑瓶。底端內(nèi)部設(shè)有隔油柔性板，可有效緩解托盤上部的沖擊力，保證托盤上物體的穩(wěn)定性，降低?；繁粨p壞的風(fēng)險。頂桿與隔油柔性板接觸的位置通過弧形壓板連接，減少連接處的應(yīng)力集中。柜體內(nèi)側(cè)中部設(shè)有承托板，頂端和承托板底部都安裝低能耗的LED 燈管，提供照明。正面開口的柜體設(shè)計對稱的門板，采用高強(qiáng)度材料和測試合格的結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]，增強(qiáng)其使用的安全性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 柜體內(nèi)底部結(jié)構(gòu)圖

2 柜體外部?；窂U棄物的收集裝置及回收系統(tǒng)設(shè)計

?；窂U棄物即 “三廢”[4]指的是廢氣、廢液和廢物。由于實驗室中的有毒有害物質(zhì)具有不確定性、多變性和復(fù)雜性，為確保實驗室環(huán)境安全，?；窂U棄物的處理和可控回收是關(guān)鍵的一環(huán)。

2.1 廢氣的收集和安全處理裝置設(shè)計

2.1.1 通風(fēng)及廢氣收集裝置設(shè)計

為了防止揮發(fā)性危險氣體的泄漏，在各小型存放區(qū)域的背部設(shè)置了一個帶有電動風(fēng)扇的吸氣口，與廢棄物儲存柜相連。

廢氣收集裝置用于收集和處理在實驗過程中產(chǎn)生的廢氣，避免其對人員和環(huán)境造成危害。有害氣體通過吸氣口、氣體通道，設(shè)有削弱毒性的液體過濾層和防止氣體泄漏的煤油保護(hù)層的廢棄物儲存柜內(nèi)，從而確保安全回收有害氣體。

2.1.2 廢氣安全排放系統(tǒng)

廢氣排放系統(tǒng)包括用戶身份驗證、智能操作控制系統(tǒng)等模塊，實現(xiàn)了高效凈化排放和可視化實時動態(tài)監(jiān)測。

將氣體類別輸入顯示屏信息欄中，當(dāng)危險氣體進(jìn)入裝置后，安裝的氣體分析儀器對氣體性質(zhì)進(jìn)行檢測分析，確定合適的氧化劑或還原劑后，釋放在柜體中。廢氣中的有機(jī)物、酸、堿等與其進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)廢氣過濾凈化，經(jīng)處理后的無害化氣體經(jīng)通風(fēng)口排出，實現(xiàn)廢氣排放。柜內(nèi)底部設(shè)置了泄漏檢測儀，其具有兩個對稱的檢測頭，可快速檢測出柜內(nèi)氣體的泄漏。

2.2 廢物廢液的收集回收裝置及系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

?；坊厥昭b置內(nèi)部分為兩層，并安裝特有的信息分析檢測裝置，柜體可自動打開頂蓋，固態(tài)危廢品放入固態(tài)存放層，液態(tài)危廢品放入液態(tài)存放層。廢棄物和廢液進(jìn)入柜體后，可通過位于兩個存儲層中的pH 傳感器、溫度傳感器、液面?zhèn)鞲衅鱗5]等對其進(jìn)行實時監(jiān)控，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_終端進(jìn)行分析，當(dāng)檢測信號超出閾值時，立即向管理員發(fā)出警報，進(jìn)行相關(guān)處理。

2.2.2 廢物廢液回收系統(tǒng)的設(shè)計

（1）危廢品的處理回收總體流程

固液廢物回收系統(tǒng)包括用戶身份驗證模塊、智能操作控制系統(tǒng)等模塊，運(yùn)用全反射X 射線熒光光譜儀（TRXRF）[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[7]對廢物和廢液進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

（2）具體實施方式

在?；饭耋w外側(cè)所安裝的專用于回收的柜體內(nèi)部分兩層，并安裝特有的信息分析檢測裝置[8]。對廢棄物的回收，管理人員先在柜體外側(cè)的數(shù)據(jù)屏上輸入所要放入的廢物分類（固液、酸堿等）信息，柜體內(nèi)部根據(jù)錄入信息發(fā)送命令請求，WIFI 通訊模塊接收到服務(wù)器發(fā)來的命令請求，并將該請求發(fā)送給控制模塊，控制模塊向電機(jī)發(fā)出信號，驅(qū)動電動伸縮桿將所需要的回收平臺從密集架擱板上向外推出一定距離，形成自動回收平臺。對廢液的回收，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[9]，管理人員需將液體倒入液體回收平臺，系統(tǒng)感應(yīng)檢測后，分析處理所得數(shù)據(jù)。兩項技術(shù)在對廢物廢液數(shù)據(jù)分析后，將自動投放進(jìn)合適的回收箱中，實現(xiàn)廢液廢物自動歸還，處理流程如圖3 所示。

圖3 廢物廢液處理流程圖

2.3 排放回收平臺的信息記錄與監(jiān)測

此部分主要用于對廢氣、廢物及廢液信息（物理、化學(xué)性質(zhì)、主要成分、剩余質(zhì)量、是否回收等）實時記錄，并通過云端輸入到柜體外側(cè)顯示屏以及移動端或電腦端APP 上，可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。

3 智能柜體管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)的設(shè)計與實現(xiàn)

智能管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)可實現(xiàn)身份核驗、權(quán)限檢測、智能操作、采購和使用記錄、內(nèi)部監(jiān)控、全流程動態(tài)監(jiān)督和管理等功能。

3.1 主控系統(tǒng)總體架構(gòu)

主控系統(tǒng)是以安卓工控機(jī)為主控制器。工控機(jī)內(nèi)部操作系統(tǒng)為獲得Root 權(quán)限的Android 12.0 版本，可滿足工業(yè)自動化和控制領(lǐng)域的需求[10]。主控制器液晶屏能夠提供友好的人機(jī)交互界面，同時該設(shè)備還配備了語音模塊，可在數(shù)據(jù)異常時進(jìn)行語音報警。主控制器與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，選擇低功耗的NB-IoT 作為通信手段，具體型號為某品牌的全網(wǎng)通模組BC35-G，通過USB 接口與RFID 模塊連接。此外，該設(shè)備還配備了RS485 接口，可連接IC 讀卡器，如圖4 所示。

圖4 主控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 云端數(shù)據(jù)庫設(shè)計

通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個云端?；窋?shù)據(jù)庫，記錄危險化學(xué)品的最后使用期限信息，實現(xiàn)對危險化學(xué)品的智能管理。

云端?；窋?shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用傳感器協(xié)議處理模塊（SPM）和業(yè)務(wù)處理模塊（BPM）[11]，有用戶管理和智能柜管理兩個重要的管理系統(tǒng)。另外，該系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)展示功能，以圖形化方式展示給用戶。

3.3 智能門禁系統(tǒng)

智能門禁系統(tǒng)是由IC 身份確認(rèn)模塊、觸摸顯示屏及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊[12]、智能語音模塊組成，如圖5 所示,能夠?qū)崿F(xiàn)身份驗證、出入信息記錄、遠(yuǎn)程控制、報警等功能，使門禁系統(tǒng)更加安全可靠，同時提高了管理員的工作效率。柜體內(nèi)設(shè)有聲光報警器，可在?；饭裎唇?jīng)授權(quán)操作或超時開啟時發(fā)出聲音和光閃，以提醒工作人員注意和采取必要措施。

圖5 智能門禁系統(tǒng)圖

3.3.1 IC 卡身份確認(rèn)模塊

IC 卡身份信息讀取模塊是IC 卡通過NFC 讀卡器實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入，NFC 讀卡器與電腦端讀寫軟件相連，通過電腦系統(tǒng)操作讀取IC 卡，并將 “實驗室安全學(xué)習(xí)考試在線系統(tǒng)” 信息保存到讀寫軟件中，利用RC522 模塊將所需信息導(dǎo)入IC 卡的存儲器，并定期更新數(shù)據(jù)。讀卡器讀取IC 卡中用戶身份信息，與數(shù)據(jù)比對，若使用者未參加學(xué)習(xí)或未通過考試，系統(tǒng)發(fā)出警報并語音播報 “沒有取用資格” 。另外，通過RFID衣物識別系統(tǒng)，識別衣物上的RFID 標(biāo)簽，并將數(shù)據(jù)傳輸給柜體控制器和服務(wù)器，控制器解析和處理衣物信息，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如果取用人員的防護(hù)措施不符合要求，系統(tǒng)將發(fā)出警報，從而對?；肥褂觅Y格和規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

3.3.2 觸摸顯示屏的主控電路設(shè)計

柜門中央設(shè)置智能觸摸顯示屏，并安裝小型攝像裝置，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠(yuǎn)程監(jiān)控并存。智能顯示屏采用STM32 主控電路設(shè)計，核心控制器選用STM32F103ZET6微處理器，主芯片工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)設(shè)有高速存儲器、通用16 位定時器、SPI 接口等，其中還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口，如CAN 總線接口、USART 接口和SDIO 接口等。顯示屏上所安裝的小型攝像裝置，采用現(xiàn)場總線技術(shù)將分布于各個設(shè)備的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來，然后各個管理站點(diǎn)的服務(wù)器再用局域網(wǎng)連接起來，形成了柜體的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過WIFI 連接，管理員可由移動端或電腦端在線監(jiān)測柜體外部的操作情況。

3.3.3 智能語音識別模塊

為實現(xiàn)高效便捷操作，采用可信呼叫的實時音視頻流的智能語音識別技術(shù)服務(wù)于門禁模塊。使用者可通過呼叫端告知柜體自身需求，如借用或歸還某種試劑的數(shù)量、種類等，柜體通過接聽端將借用人的需求信息錄入，并進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)分析，匹配相應(yīng)的危化品試劑，之后通過語音端輸出語音信息，向借用人提供取用的劑量、窗口、操作方式等。

3.4 全流程的各項指標(biāo)監(jiān)測模塊

3.4.1 柜內(nèi)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測模塊

柜體中設(shè)有氣體壓力表、傾角傳感器和溫濕度傳感器、濃度傳感器，可以自動收集儲存各項數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同指標(biāo)生成不同的變化曲線，實時向管理人員傳輸。同時，備份到云端，操作系統(tǒng)通過分析曲線是否出現(xiàn)異常變化，可以及時向管理人員發(fā)送警報或作出提醒，從而及時處理，有效防止柜內(nèi)?；沸孤U(kuò)散事故的發(fā)生。

3.4.2 存取使用?；愤^程的監(jiān)控與監(jiān)測

存儲柜能夠根據(jù)危化品的化學(xué)性質(zhì)以語音方式向管理員推薦合適的存放位置。使用者取用?；分?，系統(tǒng)會通過語音播報提示其將剩余?；贩湃牍裰兄付▍^(qū)域內(nèi)。

安裝在存放板下方的電容式稱重感應(yīng)器能夠?qū)崟r檢測?；返娜∮脛┝?，可以實時監(jiān)控配重狀態(tài)的變化，以避免取用超量的情況發(fā)生。取用后的剩余量會自動匹配到后臺數(shù)據(jù)庫中，通過手機(jī)可直接查看，同時可檢測部分具有揮發(fā)性的危化品的質(zhì)量變化。當(dāng)重量傳感器數(shù)值長時間（預(yù)先設(shè)置時間點(diǎn)）未變化或試劑重量值為空瓶質(zhì)量值時，系統(tǒng)會給管理人員發(fā)送通知，提示其化學(xué)試劑可能已失效或用完，需要及時更換。另外，柜體中設(shè)置的攝像頭全程記錄取用過程，取用者可以掃描藥品容器上的條碼，記錄信息和使用情況，以便后期追溯。

4 結(jié)語

危險化學(xué)品的存放和使用，是?；妨魍ê凸芾磉^程中最重要的環(huán)節(jié)。智能?；穼Ｓ霉竦脑O(shè)計基于高校實驗室的安全與環(huán)保，其創(chuàng)新性在于柜體結(jié)構(gòu)，真正可實現(xiàn)?；返姆诸惔娣?。并且功能更加全面，實現(xiàn)了身份識別、使用過程監(jiān)測以及?；窂U棄物處理和安全回收等功能的整合創(chuàng)新，經(jīng)測試和實驗證明，系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性、實時性、穩(wěn)定性。