基于物聯網技術的實驗室安全管理探索

李瑞利 黃卓忻 韋樹貢 宋俊慷

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

隨著社會科技水平以及經濟水平的不斷提升，對高質量人才的需求也愈來愈大，因此各大高校開始不斷地擴招，在此形勢下，高校實驗室獲得極大發展，規模隨之擴大，其實驗設備數量逐漸增多，從而提高對實驗室安全管理的要求。現階段，大多數實驗室的安全管理均以人工管理為主，其有效性以及及時性難以達到安全管理的標準，且效率也不夠理想，所以，必須積極將物聯網技術應用到安全管理中。物聯網是一種將互聯網計算機作為支撐，借助自組織網絡技術、微電子技術以及R FID 射頻技術等所建造出來的一種通信網絡，其可包含多種實物。隨著信息時代的到來，物聯網技術已經在許多領域得到有效應用，在物聯網技術的助力下，許多行業均實現智能發展，例如：智能農業、智能醫療以及智能交通等等。在實驗室安全管理中應用物聯網技術，能夠使實驗室智慧管理成為現實，繼而促進實驗室教學的有序開展。

一、實驗室安全隱患概述

（一）毒害性隱患分析

在一些化學實驗室中，所使用的化學藥品一般都具有較高毒性，因此極易導致毒害性事故的發生，導致事故發生的因素較多，例如：第一，設備及設施年久失修，老化嚴重[1]，具有較為明顯的缺陷問題及故障問題，導致一些有毒氣體以及有毒物質排放達不到標準，或者發生泄漏事件，繼而導致中毒；第二，相關人員操作不規范，造成大量有毒氣體及有害物質產生；第三，管理不當，導致有毒物品沒有得到及時處理，對環境造成污染[2]。

（二）火災隱患分析

第一，由于部分人員忘記及時將電源關閉，因此導致電器通電時間超出標準，繼而導致火災發生；一些工作人員使用方法錯誤或者是操作不規范，致使易燃物質和火源接觸，導致火災發生；第三，電線路老化嚴重。

（三）失竊隱患分析

相關工作人員沒有檢查好門窗的關閉情況，同時一些實驗室的門窗防盜性能不佳，如：鎖或者是門的質量不夠理想[3]，窗戶防盜網沒有安裝到位等，均極易導致物品失竊事件的發生。

二、基于物聯網技術的實驗室安全管理系統總體設計

（一）實驗室安全管理系統的整體架構分析

基于物聯網技術的實驗室安全管理系統架構總共分成三層，第一層：感知層；第二層：網絡層；第三層：應用層。感知層與人體中皮膚以及眼耳鼻喉等感知系統的作用相似，其主要是借助物聯網技術來進行物體識別以及信息采集、匯集數據等工作，同時這也是感知層的主要功能。在該安全管理系統中，感知層借助攝像頭、水流量計、M1IC 卡、電能表以及RFID讀寫器等終端[4]，使門禁系統、水電監控以及視頻監控的數據采集以及數據匯集功能得以實現。接著是網絡層，其主要由六個部分組成，包括網絡管理系統、互聯網、云計算平臺、有線通信網、數據服務器以及無線通信網等，作用與人體的神經中樞相似，主要承擔對感知層所獲得數據進行處理、傳遞的任務。在該系統中，對于短距離的數據傳輸，主要利用ZigBee無線傳感網絡來進行[5]，所收集到的各種數據，一般是經過轉換之后接入光纖環網，然后向中央服務器傳送相應的數據。最后是應用層，這一層主要是用戶與物聯網的接口，在該系統里，又包括三個層面，即界面、業務以及數據[6]，在業務層中，用戶能夠使用門禁管理、水流監控、信息管理以及視頻監控等相關服務功能。對于系統應用的開發，一般情況下，選擇使用FameView 工業組態軟件來進行，此外，主要在中央服務器上進行配置工作。

（二）實驗室安全管理系統的功能設計分析

基于物聯網技術所構建的實驗室安全管理系統，其應用功能有6 個，如下：實驗室所有房間的實際電能使用情況、門禁管理、水流監測以及視頻監控、信息傳輸、數據分析。

第一，電能監測功能：這一功能通常是對實驗室各個房間的實際用電情況進行實時監測，同時及時處理實驗室中出現的用電突發情況[7]。為使這一目標得以實現，將一個專門的電能檢測電氣箱安裝到實驗室中，借助互感器向電力儀表傳輸電氣箱中的電流信號，繼而達到對相應電能信號進行采集整合的目的。對于所采集到的數據，需要將其傳輸到光纖環網中，這一目標主要通過 ZigBee 無線傳輸來實現。在數據成功經光纖環網到達系統之后，電能表的相關數據就能被中央服務器讀取，繼而使實驗室用電情況的數據采集功能以及實時監控功能得以實現。

第二，門禁管理功能：設置門禁管理的目的是為避免無關人員闖入實驗室造成不必要的麻煩。在門禁管理系統查詢清楚相關人員的信息，且確定其身份與使用的要求以及標準相符后，大門才會自動開啟，讓獲得批準的人員按順序進入實驗室中，以此來使實驗室的安全得到有效保障。R FID 射頻技術是門禁系統采集器的主要技術支撐，其可幫助系統快速、有效地識別目標，同時得到相應的數據及信息，并且及時與數據庫中儲存的信息相對比，確定信息一致之后，即可允許其進入實驗室。

第三，水流監測：這一功能主要是為了對實驗室的實際用水情況以及用水安全進行實時監測。將水流量計安裝到實驗室洗手間里，同時借助光纖環網在中央控制室與流量計之間做一個遠距離的通信，利用光纖向中央服務器傳輸相關數據，繼而確保水流監測系統能夠及時采集相應的水流使用數據及信息，同時實現水流使用情況的實時監控，避免浪費水的情況出現。

第四，視頻監控功能：將一些自動識別光線的攝像頭安裝到實驗室各個房間里，接著采取客戶端軟件和紅外攝像頭來使視頻數據的實時采集以及及時傳送得以實現，相關工作人員能夠借助界面來將歷史監控畫面以及實時監控畫面調出；

第五，信息傳輸功能：功能作用對象為實驗室中的設備以及使用實驗室人員的信息，主要功能具體為：及時錄入、隨時查詢以及有效修改。

第六，數據分析。這一功能主要是將所收集到的水電信息匯總，同時對其進行分析統計，借助曲線圖以及報表的方式來將這些數據輸出。

三、基于物聯網技術的實驗室安全管理系統的實現

（一）構建通信鏈路

借助光纖收發器來形成實驗室通信環形鏈路，在這樣的情況下，一些其他的設備以及設施在進入系統時，只用把協議變成TCPIP 協議就能達到目的[8]，借助服務器，可實現數據的全雙高速讀取、安全讀取、穩定讀取，同時寫入時也可具備這些要素。設施設備的通信方式實現路徑主要有下列四個：

第一，在儀表獲得相關的水流量數據之后，AIBUS 協議會對相關數據進行采集，并且將其傳輸至PLC，PLC 利用串口服務器把PPI 協議變成PPI/TCP，借助光電轉換功能，使數據與光纖環網相連；

第二，電力儀表采集數據，儀表協議為Modbus。向ZegBee 協調器傳送 Modbus 數據，然后協調器會把所獲得的數據轉變為 TCP/IP，由于Modbus 是原始協議，因此在轉換之后，協議為Modbus/TCP，進入光纖環網通信。

第三，R FID 采集器配備有串口協議，因此，在門禁讀卡器完成相應的人員身份信息識別工作之后，會得到對應的數據及信息，借助串口，能夠向PLC 傳輸相關數據，PLC 借助串口服務器把相關數據轉變成PPI/TCP，繼而達到向光纖環網鏈路傳輸門禁數據的目的。

第四，在全部設施設備借助TCP 將數據傳輸至環網后，將環網作為中介工具，服務器即可獲得節點數據，然后向數據庫輸送所獲得的節點數據，最終實現數據快速讀取、數據有效處理、數據深入挖掘、數據及時存儲以及數據有效控制。

（二）數據采集的實現

為使實時采集數據得到實現，將攝像頭以及電能檢測電氣箱接入實驗室中的所有子實驗室房間，同時將水流量計安裝在實驗室每一樓層兩端的洗手間里。將R FID 讀卡器安裝到實驗室的大門上。

第一，采集水流量。將采集儀表以及旋進旋渦流量計安裝大洗手間的管道中，在流量計中配置有專門的ADC 電路，把模擬量轉變為數字量。在對數據進行解析轉換之后，將其傳送到服務器的數據庫里，繼而能夠對水流使用情況進行及時的統計，同時對相關數據進行有效分析。

第二，采集電量。將電能監測電氣箱安裝到實驗室后，對電氣箱進行檢查，確保其配有互感器，然后利用ZigBee 終端來向中央控制柜中的ZigBee 協調器傳輸數據，在對數據進行解析轉換之后，數據會被輸送到服務器的數據庫中，繼而使電量數據的統計分析以及實時監控得到實現。

第三，采集視頻。攝像頭包括兩種類型，即帶云臺球機攝像頭以及海康球機攝像頭，可以利用組態軟件來調動攝像頭及其功能。

第四，采集相應的門禁信息。R FID 技術是門禁系統的支撐，構成部分有三個，即PLC、標簽以及讀卡器。在讀卡器讀入標簽數據之后，借助串口編程，能夠將相關數據輸送給PLC，PLC 會將讀卡器輸送給服務器數據庫，然后服務器會根據數據的實際分析情況以及處理情況，對不同情況進行響應，同時將情況的相關信息及數據記錄下來。

結語

總而言之，隨著科學技術的不斷發展，物聯網技術的應用也逐漸趨于成熟化，在實驗室的安全管理中應用物聯網技術，不僅能夠使設施設備的安全得到一定保障，并且能夠進一步提升實驗人員以及實驗設施管理控制的效率及質量。本文將實驗室的門禁管理、水電實時監測以及視頻監控作為主要切入點，對物聯網技術在實驗室安全管理中的應用進行分析，其將多種協議、傳感器以及傳輸網絡應用到安全管理系統中，促進實驗室安全管理的智能化發展以及現代化發展。物聯網技術不僅有助于明確實驗室安全管理的方向，并且可以進一步強化實驗室安全管理的效果，最終為教學科研服務提供有效地幫助。