基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引 言

實驗室是高等學(xué)校的重要組成部分，是辦好高校的基本條件之一，高校實驗室的安全管理是確保高等學(xué)校實驗教學(xué)、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、資產(chǎn)管理順利進(jìn)行的重要保障。當(dāng)前我國高校的實驗室建設(shè)進(jìn)入了一個嶄新階段，隨著建設(shè)速度和投入力度的加大，高校管理變革的逐步推進(jìn)，實驗室建設(shè)和管理的進(jìn)一步規(guī)范化、復(fù)雜化，實驗室的安全管理工作將變得更加繁重，實驗室資產(chǎn)與人員增加、教學(xué)開放等給實驗室安全管理帶來了巨大的工作強度和壓力，現(xiàn)有實驗室安全管理模式和手段的落后導(dǎo)致各高校實驗室安全事故頻發(fā)，雖然采取了一系列措施，但由于缺乏相關(guān)信息管理平臺的支撐， 仍無法實現(xiàn)實時、可靠的實驗室安全管理 [1-2]。

針對上述情況，本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、智能監(jiān)控、智能反饋和實時報警等功能于一體，通過有線、無線兩種方式實時掌握實驗室安全情況。該系統(tǒng)針對學(xué)校實驗室分布廣、安全風(fēng)險點多、管理困難等特點，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器和監(jiān)控攝像頭實時采集實驗室溫濕度信息、門禁狀態(tài)、電源通斷情況及各類人員進(jìn)出實驗室情況。用戶可以通過電腦、手機、平板等終端設(shè)備實時查詢實驗室情況并接收報警信息，分析處理采集的數(shù)據(jù)信息，之后作出決策，以實現(xiàn)對實驗室的安全控制與管理，降低實驗室安全風(fēng)險與事故發(fā)生率，保障高校實驗室的安全 [3-5]。

1 實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1 所示。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)分析處理單元與數(shù)據(jù)接收單元。

1.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由傳感器、攝像頭組成，主要采集實驗室相關(guān)環(huán)境參數(shù)。傳感器內(nèi)置于實驗室內(nèi)部的設(shè)備中，用以監(jiān)測實驗室溫度、濕度、門禁、電壓、電流等環(huán)境參數(shù)，應(yīng)用攝像頭對人體紅外和實時場景進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸，與服務(wù)器進(jìn)行通信。本系統(tǒng)通過有線和無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ：有線方式主要通過室內(nèi)以太網(wǎng)、室外全光網(wǎng)絡(luò)傳輸 ；無線方式主要通過布置在各實驗室的校園 WiFi 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這兩種方式互為備份。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理單元

數(shù)據(jù)分析處理單元主要指安全監(jiān)測服務(wù)器，負(fù)責(zé)對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并實時發(fā)出預(yù)警信息，在接收到實驗室管理員的指令后，對相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)出決策指令。數(shù)據(jù)分析處理單元還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計、圖形化顯示，生成數(shù)據(jù)報表、分析圖形等，為實驗室管理員提供決策支撐。

1.4 數(shù)據(jù)接收單元

數(shù)據(jù)接收處理單元主要指各類終端設(shè)備，包括手機、電腦、平板等，其通過安裝 APP 軟件或通過網(wǎng)頁訪問來查看服務(wù)器信息，并根據(jù)所得信息進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控并有效處理實驗室安全狀況的功能。

2 實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成

實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件包含智能電源、智能門禁、紅外視頻監(jiān)控、溫濕度監(jiān)測感應(yīng) 4 個獨立的部分，這 4 個獨立的部分各自采集相關(guān)實驗室安全數(shù)據(jù)，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器中，服務(wù)器通過軟件對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和融合。系統(tǒng)硬件聯(lián)動如圖 2 所示。

紅外視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在視頻監(jiān)控硬盤錄像機上，僅當(dāng)需要查看時才從視頻監(jiān)控硬盤錄像機中調(diào)取，既節(jié)約了服務(wù)器的硬盤空間，又防止了網(wǎng)絡(luò)帶寬一直被占用，同時還具備監(jiān)控視頻回看功能，借助其紅外熱感應(yīng)功能能夠有效掌握實驗室人員情況，防止非工作時間實驗室發(fā)生盜竊。

智能門禁能夠?qū)崟r掌握實驗室房門的開關(guān)狀態(tài)，及時提醒實驗室管理員在實驗結(jié)束后關(guān)閉房門。可實現(xiàn)對儀器設(shè)備及實驗室開放過程中的全程管理與控制，并與智能電源集中控制終端聯(lián)動，當(dāng)學(xué)生刷卡進(jìn)入時自動分配座位并給相應(yīng)設(shè)備供電，記錄學(xué)生的進(jìn)出情況，自動提交到管理服務(wù)器，生成學(xué)生、儀器設(shè)備使用記錄等原始統(tǒng)計資料，降低實驗的安全風(fēng)險。

智能電源通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)實現(xiàn)對有源實驗儀器設(shè)備的授權(quán)使用，系統(tǒng)自動對被預(yù)約的儀器設(shè)備供電或斷電，保證只為被授權(quán)或預(yù)約用戶開放使用。通過遠(yuǎn)程電源集中控制終端，實現(xiàn)對儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程供電與斷電控制，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)平臺智能數(shù)據(jù)采集聯(lián)動實現(xiàn)刷卡進(jìn)入時對指定設(shè)備供電，刷卡退出時判斷設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)并給予提示或拒絕斷電，以保證設(shè)備安全，實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)。

3 驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本模塊基于 .NET 語言和 MVC 技術(shù)開發(fā)構(gòu)建， 采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫和 UTF-8 字符集，應(yīng)用 B/S 開發(fā)模式進(jìn)行設(shè)計與研究。實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計包括實驗室安全準(zhǔn)入考核管理、實驗室安全檢查管理、危險物品管理、監(jiān)測顯示等 4 個模塊，如圖 3 所示。

3.1 安全準(zhǔn)入考核管理模塊

該模塊包含實驗室安全自主學(xué)習(xí)子模塊、實驗室安全考試題庫子模塊、實驗室安全考核子模塊等 3 部分。該模塊采取網(wǎng)上學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)考試相結(jié)合的教學(xué)形式，在學(xué)生進(jìn)入實驗室之前通過系統(tǒng)對實驗的安全與規(guī)范有一個全面的認(rèn)識與學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)考試子模塊為評價學(xué)生的實驗室安全學(xué)習(xí)效果提供了快速有效的檢驗平臺。

網(wǎng)上學(xué)習(xí)和在線練習(xí)方便了學(xué)生的學(xué)習(xí)和對實驗室安全知識的掌握。通過考試的學(xué)生才有資格進(jìn)入實驗室學(xué)習(xí)、做實驗及進(jìn)行各類研究，未通過考試的學(xué)生則需要通過再學(xué)習(xí)直至考試通過為止。

3.2 安全檢查管理模塊

該子模塊包含計劃檢查管理、安全檢查通知、實驗室安全核查、安全問題整改、統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)上報等 6 個部分，具有規(guī)范安全檢查機制流程的作用，組成如圖 4 所示。

3.3 危險物品管理模塊

危險物品管理模塊包含申購危險品、采購驗收、危險物品使用管理、危險品廢棄物管理、危險品庫存管理、危險品統(tǒng)計查詢等 6 個部分。通過該子模塊能夠強化危險品安全保障體系，通過采取網(wǎng)上購買與線上申請購買兩種形式，可對危險品的根源進(jìn)行管理監(jiān)控，開展危險品從集中采購、供應(yīng)商管理、倉儲、領(lǐng)用、使用、庫存預(yù)警和回收等環(huán)節(jié)的智能化管理，通過對危險品流通信息的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)挖掘分析， 為危險品相關(guān)監(jiān)管部門提供數(shù)據(jù)支撐及決策支持。

3.4 監(jiān)測顯示模塊

系統(tǒng)監(jiān)測顯示子模塊主要包括網(wǎng)站監(jiān)測顯示及移動終端監(jiān)測顯示兩部分。

網(wǎng)站監(jiān)測顯示主要通過各學(xué)院的門戶網(wǎng)站實時顯示本單位的實驗室安全情況，并建立實驗室安全信息檔案，發(fā)布實驗室安全狀況曲線，形成實驗室安全情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并計算實驗室安全風(fēng)險指數(shù)，進(jìn)行實驗室潛在安全風(fēng)險的評估和預(yù)警。

移動終端監(jiān)測顯示主要通過在移動終端上安裝 APP 軟件來實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測實驗室安全狀況，可在實驗室出現(xiàn)異常時發(fā)出預(yù)警信號，讓實驗室管理員第一時間處理實驗室安全問題，保護(hù)實驗室安全。

4 結(jié) 語

本文基于 TCP/IP 以太網(wǎng)技術(shù)、無線 WiFi、傳感器技術(shù)、視頻識別技術(shù)、移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、Web Service 技術(shù)及 .NET， SQL 等主流開發(fā)工具設(shè)計了一個實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室安全監(jiān)測，可有效地實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的全天候和智能化實時安全報警和監(jiān)控功能，最大程度降低實驗室安全風(fēng)險，為學(xué)校的實驗工作提供安全保障。