基于多傳感器技術的實驗室智能安全監測系統研究

張海江

一、實驗室安全管理現狀

隨著國家對各行各業安全生產的要求不斷提高，教育主管部門及學校對實驗室安全管理重視程度不斷提升，推動了高校實驗室安全管理水平穩步提高。但我國藝術學科實驗室建設仍處于初期階段，高校在建立藝術類實驗室的過程中難免缺乏經驗，加上專業實驗教師的缺少，在實際建設運行中大多照搬其他傳統學科實驗室的建設方法與管理措施，造成實驗室安全管理建設與設藝術設計的專業實驗需要上存在一定的不適應性，而部分實驗室安全監管相對缺位，造成實驗室安全隱患時有發生。

（一）藝術學科下專業實驗室分類龐雜

藝術類實驗室是高校培養設計創新、藝術研究型人才的重要場所。由實驗教學的專業特點側重不同組件了分類龐雜的專業實驗室和工作室，如產品模型、3D打印、木工、環境設計、服裝縫制、扎染、蠟染、絲網印刷、漆工藝、玻璃工藝、金屬工藝、泥塑、動畫藝術、攝影暗房、版畫、雕塑、國畫等各種專業或公共實驗室，其多樣性與復雜性使得藝術類實驗室在管理和建設方面存在與傳統實驗室有較大差異。隨著學校辦學規模的擴大、實驗室設備資金投入的增加，導致實驗室人員設備安全管理壓力成倍增長。

（二）實驗室的部分設施環境存在老化問題

部分用電線路陳舊、老化且布線不規范影響用電安全;水管、采暖管道存在誘蝕破裂漏水等情況，實驗室安全隱患風險點不斷增加。

（三）學生的安全意識有待加強

藝術學科實驗室建設雖在安全警示方面已逐步完善，實驗室操作規程張貼在墻上，但學生的安全意識相對淡薄，對于設備的使用流程、安全規范、最大運轉時長等要求不重視，誤操作現象時有發生，實驗廢棄物雖不涉及易爆、有毒等危險品，但隨意丟棄堆放現象時有發生，特別是紙張、木屑、亞克力角料等易燃廢物如清理不及時極易存在安全隱患。

因此，解決藝術類實驗室的安全監測問題已經迫在眉睫，在逐步完善規章制度，加強對師生安全教育的基礎上，利用現代智能傳感器技術加強實驗室安全監測，將是提升實驗室安全管理，保障實驗室工作的正常運行的一條有效途徑，對促進實驗室安全穩定運行具有重要意義。

二、傳感器技術概況

（一）傳感器技術

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。隨著傳感器監測精度的不斷提高，傳感器以其微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化等特性廣泛應用于自動檢測和自動控制等多個領域。目前，傳感器根據其感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、色敏元件和味敏元件等多種類別。在專業安監領域熱敏、氣敏、濕敏等傳感器得到了廣泛應用。

（二）無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（WSN）是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接.利用無線傳感器網絡技術，可有效解決實驗室安全監測系統建立的網絡連接問題，減少因不同校區、樓宇間實驗室監測聯網造成的強弱電布線投入，并且網絡擴展拓撲方便快捷。

三、系統功能設計

實驗室安全監測系統分為三個主要部分：實驗室環境安全狀態感知模塊;傳感器信息傳輸處理模塊;安全預警信息反饋等模塊組成。

（1）環境安全狀態感知模塊主要針對每個實驗室工作室的具體環境狀況和安全隱患易發因素安裝具有相關感知功能的傳感器，來識別初期隱患并預警。如采暖水管、自來水管易跑冒滴漏的位置安裝水滴傳感器檢測漏水情況;針對容易產生易燃廢料的實驗室加裝熱敏和煙霧傳感器，檢測初期火災隱患;針對各實驗室設備用電線路安裝交流電流感應器檢測實驗設備用電異常情況等。

（2）傳感器信息傳輸處理模塊主要實現各工作室實驗室傳感器節點實時采集到的信息進行收集和比對，對超出安全閥值的節點數據進行篩選跟蹤，若同一實驗室節點連續出現預警數據，系統將預警信息傳輸給信息反饋模塊進一步完成操作。此模塊涉及無線網絡技術、數據庫技術、數據采集技術等相關技術應用。

（3）安全預警信息反饋模塊，此模塊主要功能是針對后臺的預警信息將通過手機APP和安全監測網站平臺發布給相關的實驗室管理人員，并通過聲光等預警信號在所在實驗室發出預警。

四、系統搭建

（一）硬件系統搭建

根據實驗中心各個實驗室安全監測管理的功能需求，現有環境狀況的施工復雜度等問題，確定實驗室智能安全監測管理系統的硬件選擇應主要考慮硬件功耗、電路簡單、易于實現、操作簡便等特點的設備。系統應具備安全、高效、穩定等特性。由此根據當前物聯網主流應用確定傳感器信息采集模塊選擇Arduino控制器收集各個傳感器節點的實時采集信息，數據由Arduino控制器通過Zigbee無線網絡發送到服務器端，由服務器完成信息的比對和篩選，完成正常環境狀態信息的過濾，來發現異常狀況。

傳感器信息傳輸處理模塊中ZigBee無線傳感器網絡作為整套系統重要組成部分，在設備選型中，選擇比較成熟穩定的聯網芯片CC2530等芯片，其自身都已經集成了80C51系列控制芯片，對于傳感節點少且簡單的環境監測傳感器網絡的實施，不需要外加處理控制器就能完成這部分工作。針對實驗室開放安全監測系統中，終端涉及多環境狀況采集、設備用電檢測等多方面的功能實現，就需要增加無線傳感網絡的數據和控制接口數量，可用集成到Arduino控制器，協調實驗室中多傳感器的信息，完成數據采集的初步環節，如圖1。

安全預警信息反饋模塊，系統在傳感器檢測到實驗室環境設施存在超安全閾值范圍狀況時，通過移動端APP或安全監測網站平臺向實驗室管理人員發送預警提示信息，第一時間告知實驗室管理人員和實驗操作員，關注異常信息源，及時采取應急處置措施。同時，系統當得到安全管理員的信息確認時，系統可直接啟動該實驗室的警示程序，現場人員可及時規避突發安全隱患。

（二）軟件系統設計

實驗室智能安全監測系統中，系統軟件設計是硬件系統運行的中樞和靈魂，是實現zigbee無線傳感器網絡與Arduino控制器和PC智能網關通信協作的基礎，是實現實驗室環境安全監測的保障。

（1）用戶接口部分：用戶通過賬號和密碼登陸個人界面，來檢索相關實驗室的采集數據，根據數據比對情況可對實驗室安全狀況有一個明確的了解。

教師模塊：即各實驗室相關工作人員通過教工號和密碼登陸進入教師模塊，可以查看自己的個人信息和更改密碼;可以查看自己所管理實驗室的各種環境狀況，可對某段時間內的歷史數據進行檢索，系統形成變化趨勢曲線，供用戶進行模擬分析。

管理員模塊：通過管理員帳號和密碼進入后臺管理模塊，可以查看自己的個人信息和修改密碼，對實驗室各類傳感器采集數據的比對參考閾值進行修正，增刪用戶及調整用戶權限等。

（2）數據庫部分實現采集數據的接收、分類、存儲和比對并輸出結果。主要由閾值表、溫濕度表、氣體監測表、煙霧火焰監測表、電流監測表等多個基礎信息表來實現采集信息的加工處理并將結果傳輸給安全預警信息反饋模塊。

（3）智能網關部分實現傳感器采集數據的傳輸和預警信息反饋的功能。利用微軟的MSComm控件進行串口程序開發。通信控件MSC0MM在標準串口通信方面具有強大功能。該控件可設置串行通信的數據發送和接收，對串口狀態及串口通信的信息格式和協議進行設置。數據在串口發送或接收過程中觸發OnComm事件，通過程序訪問CommEvent屬性讀取通信事件的類型，進行相應的處理。一個MSComm控件對應一個串口，多個通信口可以由多個通信控件來訪問。當PC端發送一個命令包后，即開始監視串口，并等待Arduino控制器通過Zigbee無線網絡發送的各實驗室節點的監測數據，PC端將接收到的數據寫人對應的信息表中做進一步加工處理。

（4）實驗室環境安全狀態感知部分，通過Arduino提供的多個數字端口和模擬端口連接各類環境監測傳感器。根據傳感器采集信息輸出的信號類型對其進行分類，將其分別與Aduino控制器對應的數字端口或模擬端口進行連接，通過ArduinoIDE調試各個傳感器數據采集程序。如圖2水滴傳感器監測水管漏水情況程序流程圖。

以上各個模塊通過一系列的數據傳輸、轉換、比對來完成系統軟件的信息采集、識別、預警功能，達到實驗室安全監測預警的目的。

五、結語

隨著高校智慧校園建設步伐的加快，以開放型實驗室智能安全監測為出發點的智能安全管理將是一個很好的智慧實驗室建設切入點，該智能安全監測系統結合了傳感器技術、Arduino控制技術、ZigBee無線通信技術、數據庫程序設計技術、Web服務程序設計等技術，是將系統軟硬件通過無線傳感器網絡這個紐帶緊密結合在一起應用到實驗室安全管理的一個完整系統。

參考文獻

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