高校實驗室危化品智能專用柜及管理系統設計

鄭宏，房亞兵，李孟昕，劉志遠，劉睿萍

（齊魯工業大學（山東省科學院）機械工程學部，山東 濟南 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品的種類及數量呈現逐年遞增的趨勢。但在高校實驗室安全事故中，因危化品管理不當引發的事故占76%以上。因此，危化品管理是高校實驗室安全管理的重點。

基于目前市面上現存的危化品儲存柜的價格昂貴、智能化程度低、缺乏對危化品全流程的安全管理和監測，因此，本項目擬設計研發一種可回溯[1]、可預警、可降險的智能危化品安全專用柜及其配套的管理系統，并集成物聯網模塊，全方位、全流程實時跟蹤監測危化品的存儲、使用及其廢棄物的處理和回收，從而實現對危化品的智能化、精細化管理。

1 整體設計

1.1 危化品存儲柜總體外觀設計

專用柜根據危化品的化學性質分為黃色、紅色、藍色、灰色以及白色5 個分柜，分別代表易燃化學品存儲柜、易爆危化品存儲柜、腐蝕性化學品存儲柜、易制毒化學品存儲柜、壓縮/液化氣體氣瓶存儲柜，分柜通過云端進行統一管理和數據實時錄入，其外觀整體圖如圖1 所示。

圖1 專用柜外觀整體圖

1.2 內部機械結構設計

每個柜體內部均采用多宮格式分布，將柜體分為多個方格體[2]，每個單元格都單獨存放一種化學試劑，便于實現危化品分類存放及用戶快速精準地查找。

危化品儲存柜分為外部殼體和內部儲存格，兩者之間設有對應的卡槽，實現分柜模塊化組裝。內部儲存柜門上裝有小型電子鎖，通過藍牙通訊信號與觸控平臺終端連接，控制電子鎖開關，實現精準取用試劑。每個方格底部放置一個盤底空腔，空腔底部內側壁緊貼著弧形的儲油室，頂部連接有頂桿，頂桿頂端設有防滑、防腐蝕的環氧脂置板，用于放置試劑瓶。底端內部設有隔油柔性板，可有效緩解托盤上部的沖擊力，保證托盤上物體的穩定性，降低危化品被損壞的風險。頂桿與隔油柔性板接觸的位置通過弧形壓板連接，減少連接處的應力集中。柜體內側中部設有承托板，頂端和承托板底部都安裝低能耗的LED 燈管，提供照明。正面開口的柜體設計對稱的門板，采用高強度材料和測試合格的結構設計[3]，增強其使用的安全性，其內部結構如圖2 所示。

圖2 柜體內底部結構圖

2 柜體外部危化品廢棄物的收集裝置及回收系統設計

危化品廢棄物即 “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具有不確定性、多變性和復雜性，為確保實驗室環境安全，危化品廢棄物的處理和可控回收是關鍵的一環。

2.1 廢氣的收集和安全處理裝置設計

2.1.1 通風及廢氣收集裝置設計

為了防止揮發性危險氣體的泄漏，在各小型存放區域的背部設置了一個帶有電動風扇的吸氣口，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生的廢氣，避免其對人員和環境造成危害。有害氣體通過吸氣口、氣體通道，設有削弱毒性的液體過濾層和防止氣體泄漏的煤油保護層的廢棄物儲存柜內，從而確保安全回收有害氣體。

2.1.2 廢氣安全排放系統

廢氣排放系統包括用戶身份驗證、智能操作控制系統等模塊，實現了高效凈化排放和可視化實時動態監測。

將氣體類別輸入顯示屏信息欄中，當危險氣體進入裝置后，安裝的氣體分析儀器對氣體性質進行檢測分析，確定合適的氧化劑或還原劑后，釋放在柜體中。廢氣中的有機物、酸、堿等與其進行化學反應，從而實現廢氣過濾凈化，經處理后的無害化氣體經通風口排出，實現廢氣排放。柜內底部設置了泄漏檢測儀，其具有兩個對稱的檢測頭，可快速檢測出柜內氣體的泄漏。

2.2 廢物廢液的收集回收裝置及系統設計

2.2.1 收集裝置的結構設計

危化品回收裝置內部分為兩層，并安裝特有的信息分析檢測裝置，柜體可自動打開頂蓋，固態危廢品放入固態存放層，液態危廢品放入液態存放層。廢棄物和廢液進入柜體后，可通過位于兩個存儲層中的pH 傳感器、溫度傳感器、液面傳感器[5]等對其進行實時監控，并將監控數據傳輸到平臺終端進行分析，當檢測信號超出閾值時，立即向管理員發出警報，進行相關處理。

2.2.2 廢物廢液回收系統的設計

（1）危廢品的處理回收總體流程

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

（2）具體實施方式

在危化品柜體外側所安裝的專用于回收的柜體內部分兩層，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的數據屏上輸入所要放入的廢物分類（固液、酸堿等）信息，柜體內部根據錄入信息發送命令請求，WIFI 通訊模塊接收到服務器發來的命令請求，并將該請求發送給控制模塊，控制模塊向電機發出信號，驅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譜法（ICP-MS）[9]，管理人員需將液體倒入液體回收平臺，系統感應檢測后，分析處理所得數據。兩項技術在對廢物廢液數據分析后，將自動投放進合適的回收箱中，實現廢液廢物自動歸還，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測

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

3 智能柜體管理系統業務的設計與實現

智能管理系統業務可實現身份核驗、權限檢測、智能操作、采購和使用記錄、內部監控、全流程動態監督和管理等功能。

3.1 主控系統總體架構

主控系統是以安卓工控機為主控制器。工控機內部操作系統為獲得Root 權限的Android 12.0 版本，可滿足工業自動化和控制領域的需求[10]。主控制器液晶屏能夠提供友好的人機交互界面，同時該設備還配備了語音模塊，可在數據異常時進行語音報警。主控制器與云服務器進行數據交互，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通模組BC35-G，通過USB 接口與RFID 模塊連接。此外，該設備還配備了RS485 接口，可連接IC 讀卡器，如圖4 所示。

圖4 主控系統總體架構圖

3.2 云端數據庫設計

通過互聯網和物聯網技術，構建一個云端危化品數據庫，記錄危險化學品的最后使用期限信息，實現對危險化學品的智能管理。

云端危化品數據庫系統使用傳感器協議處理模塊（SPM）和業務處理模塊（BPM）[11]，有用戶管理和智能柜管理兩個重要的管理系統。另外，該系統還提供了數據展示功能，以圖形化方式展示給用戶。

3.3 智能門禁系統

智能門禁系統是由IC 身份確認模塊、觸摸顯示屏及遠程監控模塊[12]、智能語音模塊組成，如圖5 所示,能夠實現身份驗證、出入信息記錄、遠程控制、報警等功能，使門禁系統更加安全可靠，同時提高了管理員的工作效率。柜體內設有聲光報警器，可在危化品柜未經授權操作或超時開啟時發出聲音和光閃，以提醒工作人員注意和采取必要措施。

圖5 智能門禁系統圖

3.3.1 IC 卡身份確認模塊

IC 卡身份信息讀取模塊是IC 卡通過NFC 讀卡器實現數據錄入，NFC 讀卡器與電腦端讀寫軟件相連，通過電腦系統操作讀取IC 卡，并將 “實驗室安全學習考試在線系統” 信息保存到讀寫軟件中，利用RC522 模塊將所需信息導入IC 卡的存儲器，并定期更新數據。讀卡器讀取IC 卡中用戶身份信息，與數據比對，若使用者未參加學習或未通過考試，系統發出警報并語音播報 “沒有取用資格” 。另外，通過RFID衣物識別系統，識別衣物上的RFID 標簽，并將數據傳輸給柜體控制器和服務器，控制器解析和處理衣物信息，服務器進行數據分析。如果取用人員的防護措施不符合要求，系統將發出警報，從而對危化品使用資格和規范進行嚴格把關。

3.3.2 觸摸顯示屏的主控電路設計

柜門中央設置智能觸摸顯示屏，并安裝小型攝像裝置，實現現場與遠程監控并存。智能顯示屏采用STM32 主控電路設計，核心控制器選用STM32F103ZET6微處理器，主芯片工作頻率高達72 MHz，內設有高速存儲器、通用16 位定時器、SPI 接口等，其中還包含標準和先進的通信接口，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，采用現場總線技術將分布于各個設備的傳感器、監控設備等連接起來，然后各個管理站點的服務器再用局域網連接起來，形成了柜體的內部網絡，通過WIFI 連接，管理員可由移動端或電腦端在線監測柜體外部的操作情況。

3.3.3 智能語音識別模塊

為實現高效便捷操作，采用可信呼叫的實時音視頻流的智能語音識別技術服務于門禁模塊。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量、種類等，柜體通過接聽端將借用人的需求信息錄入，并進行后臺數據分析，匹配相應的危化品試劑，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 全流程的各項指標監測模塊

3.4.1 柜內環境指標監測模塊

柜體中設有氣體壓力表、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據，并根據不同指標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，操作系統通過分析曲線是否出現異常變化，可以及時向管理人員發送警報或作出提醒，從而及時處理，有效防止柜內危化品泄漏擴散事故的發生。

3.4.2 存取使用危化品過程的監控與監測

存儲柜能夠根據危化品的化學性質以語音方式向管理員推薦合適的存放位置。使用者取用危化品之后，系統會通過語音播報提示其將剩余危化品放入柜中指定區域內。

安裝在存放板下方的電容式稱重感應器能夠實時檢測危化品的取用劑量，可以實時監控配重狀態的變化，以避免取用超量的情況發生。取用后的剩余量會自動匹配到后臺數據庫中，通過手機可直接查看，同時可檢測部分具有揮發性的危化品的質量變化。當重量傳感器數值長時間（預先設置時間點）未變化或試劑重量值為空瓶質量值時，系統會給管理人員發送通知，提示其化學試劑可能已失效或用完，需要及時更換。另外，柜體中設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 結語

危險化學品的存放和使用，是危化品流通和管理過程中最重要的環節。智能危化品專用柜的設計基于高校實驗室的安全與環保，其創新性在于柜體結構，真正可實現危化品的分類存放。并且功能更加全面，實現了身份識別、使用過程監測以及危化品廢棄物處理和安全回收等功能的整合創新，經測試和實驗證明，系統具有較好的準確性、實時性、穩定性。