開放式生物醫學實驗平臺安全管理系統探究

曹 佳， 嚴培輝， 劉江華， 江金光

(1. 武漢大學 基礎醫學實驗教學示范中心，武漢 430071；2. 武漢大學 a. 衛星導航定位技術研究中心；b. 物理科學與技術學院，武漢 430079)

0 引 言

隨著社會和經濟的迅速發展，生物醫學、健康類的課題成為人類科學研究熱點。近年來，各高校在生物、醫學等研究與教學方面的投入迅速提高，生物醫學類實驗室平臺建設成為了學科評估的關鍵要素，更是展現一個學校生物醫學研究能力強弱的關鍵。實驗平臺的硬件平臺建設、安全管理已經成為決定高校及科研院所科研能力的重要因素。在實驗平臺上如何對危險試劑、重大儀器設備、實驗人員安全管理培訓以及實驗室環境綜合因素等進行實時安全管理工作是實驗平臺高效、安全運行所面臨的迫切且十分重要的任務。

生物醫學類實驗平臺的管理需做到分類管理、實時監控、預防為主。相關安全管理系統的研究應系統分析實驗平臺各關鍵因素的構成及所存在的各種隱患，做到預防為主、實時監控、分類管理及處理，而不是事后對安全事故進行控制及處理，將可能的一切危險因素防范于未然狀態[1-3]。近年來，隨著物聯網技術的迅速發展，將先進、便利、把控性好的物聯網傳感及傳輸技術引入生物醫學類實驗平臺，構建一個安全、高效、實時掌控的實驗平臺管理系統[4]。本文主要探究開放式生物醫學實驗平臺的安全管理要素、基于物聯網智能傳感及通信傳輸技術策略和開放平臺的安全、高效運行及管理實現。

1 生物醫學類實驗平臺安全要素分類及分析

1.1 危險生化用品

生物醫學類實驗室中試劑用品種類繁多，其中包括有常規的化學試劑、生物制劑、醫用藥品，也包括各種危險化學品，如有毒有害的化學試劑、生物制劑及放射性同位素等。如果這些有毒、易燃易爆危險試劑及有生物危害的生物制品缺乏安全有效的實時監管和防護措施將會對實驗室及相關人員身體健康造成直接或潛在危害。有毒試劑若發生泄漏和流失，將會對外界社會造成巨大危害[5]。因此，對與生物醫學類實驗室中危化品、生物制品等進行有效監管十分重要。

1.2 重大儀器設備

高校開展教學和科研工作需要必要的儀器設備。近年來由于國家對科研工作的重視，各高校加大了對實驗室的建設，在各類實驗室添置了大量基礎實驗設備和大型儀器設備，為培養高素質人才、推動學科建設提供了堅實的硬件基礎。基礎醫學院的開放性生物醫學實驗平臺中既有許多常規的小型儀器如離心機、電泳儀、PCR儀、顯微鏡、層析儀等，同時也有一些大型精密儀器如超速離心機、高效液相色譜、流式細胞儀、熒光共聚焦顯微鏡、熒光分光光度計、多功能酶標儀、qPCR儀、多色熒光成像儀等。其中部分價格高昂的實驗設備的使用都需要進行培訓，如果操作不當容易引起損壞，可能造成高昂的維修費用，甚至引發安全事故。同時，某些大功率設備在使用時若發生故障，經常會引起電力事故，甚至可能引發火災。因此建立高效的實時監控管理系統，才能使開放平臺安全有效運轉。

1.3 實驗人員管理

保障實驗室里人員安全是實驗室管理的最重要環節。實驗平臺管理人員和實驗人員要對實驗室的各種危險因素應充分了解，相應實驗設備操作人員也應對相關貴重儀器設備的操作規程充分熟悉，只有在完成安全培訓，熟悉了各種儀器設備的規范操作流程后，才能在實驗室學習和工作時有意識地遵守各種規則，避免由于人為因素造成危害和儀器設備損壞。

1.4 實驗室環境綜合因素

生物醫學類實驗室由于試劑種類繁多、性質差異大，存放所需的的環境要求各異，需要進行分類安全存放和環境監測。另外，在實驗過程中容易產生大量的廢液、廢氣等有毒有害物質以及微生物或放射性污染物。只有對實驗室的溫度、濕度、空氣中甲醛濃度、CO和CO2氣體濃度進行有效監測及控制，關注實驗室污染物的處理，才能保障實驗室環境及實驗工作人員的健康及安全。

2 基于物聯網技術的生物實驗平臺安全管理

物聯網技術是應用智能傳感、定位系統、通信傳輸技術并按照一定的協議通過互聯網將研究物體聯系起來，對物體進行智能化通信、傳輸及監控的一體化管理技術[6]。隨著物聯網技術和信息技術在最近幾年的迅速發展，其應用于實驗室的安全管理已經成為了一種趨勢[7-8]。將此技術應用于開放式生物醫學類開放實驗平臺的管理及運行，將大大提高該開放應用平臺的運行效率。

2.1 生物醫學類實驗平臺系統安全管理要求

基于物聯網技術的生物實驗平臺安全管理的核心是：實驗平臺管理者能應用管理系統準確高效地管理。①實驗平臺中的關鍵及危險的、有毒有害試劑的數量、剩余量及存放狀態。②各類精密度高、價值昂貴的儀器設備的日常維護，安全操作與正確使用。③對進出實驗室的人員信息實時掌控。④實驗室環境各關鍵要素情況實時掌握及異常情況報警處理。

2.2 生物醫學類實驗平臺信息數據庫建立和管理

信息數據庫是生物醫學實驗平臺安全管理的基石，高效、完善的數據庫建立是管理實驗平臺的基本要求，其中的主要內容包括：

(1) 各種試劑的信息管理及分類劃分。需要收集完整的各類試劑用品信息，根據試劑藥品性質進行分類存放和貯藏，將危險類、有毒有害的、易揮發的試劑藥品貼上RFID(射頻識別)標簽，通過讀卡器將各種貼有RFID標簽的試劑信息讀入管理系統，當試劑存放位置發生改變時，RFID進行實時傳感，并將其信號通過無線通信模塊自動傳輸到手機APP系統終端顯示，從而進行實時監控管理。

(2) 各種儀器設備信息管理。開放的生物醫學實驗平臺中的各種儀器設備的名稱、數量、生產廠家、用途、基本性能參數、維護人員電話、管理人員聯系方式等信息都要進行完整收集錄入到管理系統。可在每臺設備貼上RFID標簽，并在實驗室進門處安裝非接觸式設備讀取裝置。如果有人將貼有RFID標簽的設備帶出實驗室時，非接觸式設備讀取裝置會感知并通過實驗管理系統啟動安全報警，同時向值守人員和管理人員手機APP發送提示，并啟動視頻監控設備進行實時視頻采集。

(3) 實驗人員信息管理。對于進入實驗平臺學習和工作的各類實驗人員，對其個人信息進行采集和收集分類，且對他們進行必要的安全培訓和儀器設備操作培訓，收集其實驗內容和需要使用到的試劑、儀器設備信息。對于精密大型儀器，實驗人員只有通過授權才能使用，防止沒有進行培訓的人員隨意使用造成儀器損壞。根據實驗內容，管理系統可以提示管理人員督促實驗人員完成實驗廢棄物后期處理。

(4) 日常實驗室環境數據采集及傳輸。在生物醫學實驗室中需要重點設置不同種類的傳感器，對實驗室中的溫度、濕度、空氣中CO、CO2、甲醛濃度、煙霧、PM2.5等數據進行實時傳感采集，采集到的數據利用ZigBee技術傳輸[9-10]到計算機系統進行處理與安全指標數據進行比對、辨識，當某一指標數超出安全范圍時，可通過計算機系統發出警報，迅速安全報警。

通過對上述生物醫學類實驗平臺中各安全要素進行研究及分析，得到如圖1所示的安全管理系統實現方案。

在實驗平臺安全管理系統中的各監控裝置上安裝無線通信的通用分組無線服務技術(GPRS)設備，可隨時監控收集和管理各關鍵要素。利用手機和APP應用軟件實時監控及掌握，改變了傳統的必須人員到現場才能管理和監控的模式，提高了可靠性和響應速度[11-12]。其中的重要功能還包括遠程集中控制、中心控制及本地運行，統一設置和臨時控制，GPS電子地圖、擴展圖像監控、數據處理儲存、重構功能，確保實驗室安全管理功能的實現。

此類電路硬件控制系統可采用單片機控制及管理，各部分功能電路可采用模塊化電路實現，易于實現且方便快捷。軟件部分主要有兩大模塊，一部分為控制各模塊化電路工作的單片機應用軟件，可采用C語言實現，軟件控制流程如圖2所示，其中圖2(a)是主函數程序流程圖，圖2(b)是儀器設備位置變更中斷程序流程圖,該部分在主程序中主要用來實現儀器設備位置變更檢測，圖2(c)是試劑位置信息管理中斷程序流程圖，該部分在主程序中主要用來實現試劑位置信息管理；另一部分則為手機APP應用軟件、通信接口及軟件開發，可采用JAVA語言實現，系統軟件架構如圖3所示。

(a) 主函數程序流程圖(b) 試劑位置信息管理中斷程序流程圖(c) 儀器設備位置變更中斷程序流程圖

圖2 軟件控制流程圖

2.3 單片機部分子程序

部分主程序：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "usart3.h"

#include "SHT10.h"

#include "mq9.h"

#include "mg811.h"

#include "ka01ch2o.h"

#include "mq2.h"

#include "pm25.h"

int main(void)

{

u8 t;

u8 len;

float temp,humi;

delay_init();

NVIC_Configuration();

uart_init(9600);

USART3_Init(72,9600);

LED_Init();

SHT10_GPIO_Init();

MQ9_Init();

MQ2_Init();

MG811_Init();

KA01_CH2O_Init();

PM25_Init();

while(1)

{

humi=s_measure(HUMI);

temp=s_measure(TEMP);

calc_sth11(&humi,&temp);

Measure_CO();

Measure_CO2();

Measure_JQ();

Measure_YW();

Measure_PM25();

if(USART_STA&0x8000)

{

len=USART_STA&0x3fff;

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

USART_STA=0;

}

}

}

儀器設備位置變更中斷程序：

void EXTI9_5_IRQHandler(void)

{

if(Reagent_position_change==1)

{

Save_Inf();

for(t=0;t

{

USART2->DR=USART_BUF[t];

while((USART2->SR&0X40)==0);

}

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);

}

試劑信息管理中斷程序：

void EXTI0_IRQHandler(void)

{

if(EQU_OUT==1)

{

START_UP_ALARM();

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

START_UP_VIDEO();

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

}

3 生物醫學類實驗室安全管理展望

應用物聯網信息技術[13]構建生物醫學類實驗平臺安全管理系統已成為必然趨勢，越來越受到各高等院校科研院所的重視，建立實驗室危險試劑數據庫、實驗室重大精密儀器數據庫、實驗室環境關鍵要素指標數據庫，利用GPRS無線技術[14-16]、RFID、環境監測關鍵要素傳感技術來高效率實時安全管理生物醫學類實驗平臺，使管理者能方便、快捷掌握實驗室動態信息，加強實驗平臺安全管理，提高工作效率，同時也能降低管理成本，保障高校和科研單位教學與科研的正常進行。

4 結 語

隨著實驗室安全工作宣傳的進一步深化，安全意識在每一位管理者和實驗人員心中得到增強，大家都希望改進原有的管理方式，使實驗室在安全高效的基礎上其開放程度大大加強。應用物聯網的智能傳感及通信傳輸技術建立的實驗平臺安全管理系統管理實驗室平臺，可以保證生物醫學類實驗平臺的安全建設工作得到有力推進，管理效率和開放程度得到提高，保證教學科研工作順利進行。