基于物聯網技術的實驗室安全管理系統的設計

崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院，重慶 400054)

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·實驗室環境與安全·

基于物聯網技術的實驗室安全管理系統的設計

崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院，重慶 400054)

為了解決高校實驗室在安全管理和監控力量不足和措施薄弱問題，更好地為廣大師生提供一個安全穩定的教學和科研環境，通過對10余所高校實驗室安全管理現狀的問卷調查，介紹了高校實驗室安全管理系統的實際需求，在充分分析實驗室普遍存在的安全隱患情況的基礎上，研究了基于物聯網技術的實驗室安全管理系統的技術原理、實施方案和要實現的功能。最后，闡述了基于物聯網技術的實驗室安全管理系統的創新點和應用領域的拓展。對改善高校實驗室安全管理具有一定的積極促進作用。

物聯網； 實驗室； 安全管理； 傳感器

0 引 言

實驗室是學校、科研機構開展人才培養、科學研究和社會服務活動的必備場所。在初中、高中、高校和科研機構設置的眾多實驗室內，使用了種類繁多的化學藥品、易燃易爆物品和劇毒物品。有的實驗要在高溫、高壓力或者超低溫、真空、強磁、微波、輻射、高電壓和高轉速等特殊環境下或條件下進行，有的實驗會排放有毒物質[1]。特別近年來，隨著國家對初級教育的普及和高校學生擴招，學校實驗室規模的擴大，且實驗室又具有使用頻繁，人員集中且流動性大，大量貴重儀器設備、化學藥品和重要技術資料存放在實驗室的特性，這使得高校實驗室的使用、人員流動和內部的管理都產生出許多新情況、新問題，這使得近年來實驗室常發生火災事故、中毒事故、傷人事故和環境污染等事故，這無疑給學校、科研機構造成了很大的財產損失，有的甚至造成了人員傷亡[2]。因此怎樣避免實驗室安全事故的發生，減少學校、科研機構驗室設備和財產損失，同時也能保障實驗人員的人身安全，這是全國所有學校、科研機構都十分關注的問題，也是加強學校、科研機構實驗室安全管理工作迫在眉睫的首要問題。

1 實驗室安全隱患分析

(1) 火災隱患。火災性事故的發生具有普遍性，幾乎所有的實驗室都可能發生。釀成這類事故的直接原因是：忘記關電源，致使設備或用電器具通電時間過長，溫度過高，引起著火；操作不慎或使用不當，使火源接觸易燃物質，引起著火；供電線路老化、超負荷運行，導致線路發熱，引起著火[3]。

(2) 爆炸性隱患。爆炸性事故多發生在具有易燃易爆物品和壓力容器的實驗室這類事故隱患主要原因是：違反操作規程，引燃易燃物品，進而導致爆炸；設備老化，存在故障或缺陷，造成易燃易爆物品泄漏，遇火花而引起爆炸。爆炸性事故多與火災性事故相聯系，尤其是有機化學實驗室常用的多是易燃、易爆的物質和混合物，這些物質在一定壓力或熱積累作用下容易造成爆炸；另外也可能是設備老化存在故障，造成易燃易爆物品泄漏，事故。遇火花引起事故[4]。

(3) 毒害性隱患。化學實驗室使用的化學藥品幾乎都有一定的毒性，毒害性事故多發生在具有化學藥品和劇毒物質的化學化工和具有毒氣排放的實驗室。釀成這類事故的直接原因是：操作規程不科學，導致實驗過程產生大量有毒有害物質和氣體，引起中毒；設備設施老化，存在故障或缺陷，造成有毒物質泄漏或有毒氣體排放不出，釀成中毒；管理不善，造成有毒物品散落流失，引起環境污染；廢水排放管路受阻或失修，造成有毒廢水未經處理而流出，引起環境污染[5]。

(4) 機電性隱患。機電傷人性事故多發生在有高速旋轉或沖擊運動的機械實驗室，或要帶電作業的電氣實驗室和一些有高溫產生的實驗室[6]。事故表現和直接原因是：不當或缺少防護，造成擠壓、甩脫和碰撞傷人；違反操作規程或因設備設施老化而存在故障和缺陷，造成漏電觸電和電弧火花傷人。

(5) 失竊性隱患。失竊性隱患多由于實驗室的門窗防盜性能不好或者相關人員的責任心不到位造成的，比如窗戶沒有防盜網，門或者鎖的質量太差，有時上課期間把窗戶打開便于通風而下班后又沒有認真檢查門窗是否關閉完好，有時下課了但沒有及時關閉門窗等都存在一定的失竊性隱患[7]。

2 實驗室安全監控系統的技術原理及實施

2.1 系統架構及組成

實驗室安全監測及控制系統由濕度煙霧監測、人體紅外、有毒有害物質監測(電化學)、機電(電流、電壓)監控、壓力監控傳感器、實驗室安全監控裝置、聲光報警裝置、監控軟件系統、客戶端電腦和智能手機應用終端構成，如圖1所示。

傳感器用于采集實驗室化學藥品存儲監控信號和實驗過程中對儀器設備、火災以及危害人身健康異常狀態信號。溫度傳感器主要用于實驗室低溫存儲化學藥品的存儲監控，如冰箱溫度監控等；溫度傳感器和煙霧傳感器同時也安裝實驗室頂部，實現對實驗室火情火災的實時監控[8]。壓力傳感器主要用于對實驗室內存儲的有毒、易燃氣體(氯氣、氧氣等)壓力容器壓力的監控，確保實驗室內的壓力容器不泄漏。電流/電壓傳感器將高電壓轉換成一定值的低電壓以供測量等使用，①可以防止電流或電壓過大損壞儀器設備；②可以大幅降低實驗人員觸電的危險。電化學傳感器主要是對有毒有害化學物質、易燃、易爆物質的監控。如：氧氣、氨氣、氯氣、氫氣、一氧化碳、環氧乙烷、氯化氫、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、氯乙烯等[9]。

2.2 實驗室安全監控裝置

實驗室安全監控裝置是整個系統的核心，其由輸入接口單元、中央處理單元、預警報警單元、控制單元和輸出接口單元構成，如圖2所示。

(1)輸入接口單元主要是接收傳感器的輸入信號，對于開關輸入可直接輸入接口單元與中央處理單元聯接；對于模擬量輸入接口單元將模擬量信號轉換為數字量信息再傳輸給中央處理單元。

(2)中央處理單元用于接收輸入接口單元的監測數據，并對其進行邏輯運行和邏輯判斷。當監測的數據達到預設的報警值時，中央處理單元將報警信息發送給預警報警單元，同時也將報警信息控制單元，用于啟動排風系統或切斷實驗臺供電電源[10]。

(3)預警報警單元接收中央處理器發送的預警或報警信息，立刻發出聲光報警提示，以提醒實驗人員立刻撤離實驗臺。

(4)反饋控制單元是根據中央處理單元的邏輯判斷的結果作為輸入信號，當邏輯判斷結果超過預設的限值時，其結果信號將控制信號反饋去驅動排風系統和切斷供電電源[11]。

(5)輸出接口單元主要接收中央處理單元發送的狀態和報警信息，并通過輸出接口單元實現系統的擴展(如將狀態和報警信息發送到遠程服務器)。

2.3 系統工作原理及流程

將系統中的傳感器安裝合適的監測位置(如化學試劑存儲冷貯柜中安裝濕度傳感器；實驗室頂部安裝煙霧和溫度傳感器；四周墻上安裝監測有毒有害氣體的電化學傳感器；實驗臺電源輸入端安裝電流、電壓傳感；壓力容器上安裝壓力傳感器)，并將傳感器與實驗室安全監控裝置的I/O單元聯接，I/O單元對輸入模擬量進行數字轉換，將將轉換后的傳感器數字信息發送給實驗室安全監控裝置的處理單元，處理單元讀取傳感器信號值并與預先設置的報警或預警值進行比較，當傳感器輸入信號超過預先設定的報警或預警值時，向聲光報警裝置發送報警信息，聲光報警裝置驅動繼電器發出聲光報警信息，提醒實驗室人員快速撤離實驗室。同時利用反饋原理通過I/O單元控制排風系統啟動或斷開電源以保證實驗的安全[12]。同時實驗室安全監控裝置也通過網絡接口將傳感器監測信號值和報警信息通過互聯網發送到實驗室安全監控中心數據庫中，市教委、高校實驗室監控中心、實驗室教學管理人員可利用客戶端電腦對實驗室安全狀態進行遠程實時監控，而且還可以利用移動智能手機實現對實驗室安全狀態進行實時監控，如圖3所示。

3 基于物聯網技術的安全監控系統功能

“實驗室安全監測及控制系統”由安裝在實驗室內物聯網監控硬件系統和部署在高校實驗室監控中心的監測軟件系統構成。物聯網硬件的監控系統由各個組件及組件運行的嵌入式軟件組成；監控軟件系統由基礎信息管理、組件配置管理、實時監控管理、預警報警管理、數據通訊協議管理、統計查詢管理及用戶權限管理模塊等組成，如圖4所示。

4 實驗室安全監控系統的創新點

“實驗室安全監測及控制系統”是由物聯網、電化學分析、通訊、網絡、數據庫、軟件開發技術和智能手機開發技術組成的遠程實時監控系統。

(1) 實驗室安全管理模式。傳統的高校實驗室安全管理通常由安全管理制度和人工監控實現，這種管理模式往往加重了實驗室教學管理人員的工作量，增加了工作難度，而且由于教學與管理人員的特殊原因(如疏忽大意、生病感冒等)會對實驗室安全監管的遺漏，可能導致安全事故的發生。而采用本系統采用全天候24 h實時監控及實驗異常情況的報警和預警，使實驗室安全管理提升到一個全新的管理模式[13]。

(2) 實驗室安全監控技術。目前全國高校實驗室安全監控技術屬于空白，全國幾乎所有的實驗室安全并無監控設施，因此對高校實驗室的火災、爆炸、有毒有害物質、機電安全隱患監控，無疑實現了高校實驗室安全監控技術的創新。

(3) 電化學分析技術應用創新。電化學分析法是應用電化學原理和技術，利用化學電池內被分析溶液的組成及含量與其電化學性質的關系而建立起來的一類分析方法。許多電化學分析法既可定性，又可定量；既能分析有機物，又能分析無機物，并且具有靈敏度高，選擇性好的特點，將電化學分析技術應用于實驗室安全實時監控也是本系統的創新思路之一。

(4) 物聯網技術創新。由于高校實驗室監控點均可通過客戶端電腦和移動智能手機進行監控，實現了終端電腦、平板或智能手機與實驗室監控點的數據交互和控制(物體與物體聯接)，系統是一個典型的物聯網系統[14]。

(5) 智能手機開發技術。智能手機的操作通常是安卓操作或蘋果操作系統兩大類，本系統能通過智能實現在任何時間、任何地點(只需要有無線3G網絡)均可實現對實驗室安全的遠程監控，實驗上述功能是智能手機開發技術的創新。

(6) 監控類型及監控點擴展。由于高校實驗室的類型或實驗項目不同，各實驗室內安全監控對象可能存在差異。本系統采用標準規范的輸入模擬技術，只滿足標準規范的傳感器均能接入監控系統中，實現了對不同安全監控類型及監控點的擴展，是一個標準積木式可重組的具有高擴展性監控系統，這也是本系統核心技術之一[15]。

5 結 語

物聯網是世界信息產業發展的第三次信息技術變革，也是基于互聯網方向的深層次應用拓展。本系統通過將物聯網技術應用于實驗室安全監控，采用了多種目前較新的網絡技術和與安全監控相適應的體系結構，充分利用學校及實驗室現有的資源降低構建成本，可有效地實現基于物聯網的防火、防爆、防毒、防盜等全天候和智能化實時安全報警和多媒體監控功能。由于其具有功能齊全、配置靈活、結構新穎、成本低、實時可靠的特點，不僅可以用于實驗室的安全監控，還可用于倉庫管理、油氣加工、炸藥的生產與存儲等需要重點確保安全的地方。

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Design of Laboratory Safety Management System Based on the Internet of Things

CUIGuan-xun

(School of Computer Science & Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054, China)

In order to solve problems in measures and strength to laboratory safety management, and provide a safe environment for teachers and students in teaching and researching, the paper describes the current situation and demands to laboratory safety management for universities. General security risks are analyzed. Based on this study, the technical principles, embodiment and function of system in laboratory safety management are designed based on the Internet of Things. At the end of this paper, the innovation and applications of system in laboratory safety management based on the Internet of Things are elaborated.

the Internet of Things; laboratories; safety management; sensor

2014-05-25

重慶市高等教育教學改革研究項目(1203055)；重慶市研究生教育教學改革研究項目(yjg123023；Yjg133080)；重慶理工大學高等教育教學改革研究項目(2012005；2013YB19)；重慶理工大學研究生教育教學改革研究項目(yjg2012101)；重慶理工大學實驗技術開發基金項目(SK201309)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級實驗師，實驗室副主任，主要從事實驗技術研究及實驗教學。

Tel.：13271948663，E-mail：cgx@cqut.edu.cn

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1006-7167(2015)03-0287-04