高等學校電氣類實驗室安全管理系統

李明 王潤濤 果莉 房俊龍

摘要：針對電氣類實驗室存在的安全管理問題，闡述了基于現代技術手段的安全預警管理系統的實施方案，詳細介紹了通過傳感器技術、RFID無線射頻技術、ZigBee無線傳輸技術與遠程訪問技術相互融合，對實驗室存在的火災、漏水、失盜等安全隱患進行監控預警的過程，為高等學校實驗室安全管理提供了技術指導。

關鍵詞：電氣類；實驗室安全管理；RFID；ZigBee

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0011-02

一、引言

高校實驗室安全問題對任意一所高校都是至關重要的。近年來，隨著高等教育體制改革向著“創新應用型人才培養”的發展趨勢，實驗課程學時增加，實驗室規模擴建，安全已經被列為實驗室建設管理的首要條件。實驗室安全的保證不僅需要建立詳細的安全操作規范與負責人管理制度，更要結合先進的技術手段建立完備的預警機制與緊急預案。

二、電氣類實驗室存在的安全問題

實驗室安全問題包括兩個主要方面：一是實驗操作過程中操作者的人身安全，二是貴重實驗材料設備保管防盜安全。電氣類實驗室涉及高電壓大電流實驗以及電子焊接實驗，雖然目前的實驗平臺已經高度集成，已經盡量避免學生直接接觸裸露高壓線，但操作失誤或管理不當都會引起事故，學生在不明確電路圖的條件下連線短路會直接造成設備損毀甚至引起火災，實驗室濕度過大或者灰塵堆積都會對設備造成侵蝕埋下安全隱患。此外，電氣類實驗室學生集中上課流動性大、實驗儀器設備昂貴且類別繁多，經常出現丟失的現象。針對高等學校電氣類實驗室存在安全管理問題，結合智能化、自動化管理系統的發展現狀，設計一套適用于實驗室安全預警的管理系統，能夠減少安全事故的發生，改善實驗室的安全管理。

三、安全管理系統的構架組成

實驗室安全管理系統由事故預警模塊、防盜預警模塊、環境參數控制模塊、遠程訪問模塊三個主模塊組成，通過多種終端傳感器采集信息作為預警和控制的參數。結構圖如圖1所示。

事故預警包括對火災、漏水以及設備過壓過流運行的監測，通過設定參數范圍即可實現對事故進行提前警報。（1）環境控制模塊。照明控制可以根據檢測人體位置實現不同燈管的開關控制，并在無人情況下自動熄燈，溫度傳感器分散安裝于墻面、棚頂，通過平均運算得出參數控制空調的啟停。（2）防盜預警模塊。門禁控制采用無線射頻技術，在每個設備上安裝電子標簽，防范非許可情況下將設備帶出實驗室。每個實驗室安裝無線視頻攝像頭實現無死角在線監控。獲取的控制參數保存至數據庫，管理員可以通過網絡隨時隨地訪問系統狀態。

四、技術原理

1.傳感器采集參數信息。火災是電氣類實驗室較易發生的事故，一旦發生火災及時發現有效滅火是極為重要的。火災煙霧是由氣、液、固體微粒群組成的混合物，具有體積、質量、溫度、電荷等物理特性。離子型煙霧探測器是通過相當于煙敏電阻的電離室引起的電壓變化來感知煙霧粒子的微電流變化裝置。當煙霧粒子進入電離室，改變了電離室空氣的電離狀態，從而宏觀表現為電離室的等效電阻增加引起電離室兩端的電壓增大，由此來確定空氣中的煙霧狀況。

房屋或窗戶漏水也是電氣類實驗室的安全隱患之一，雖然這種情況發生的幾率相對較小，但如果在無人值守的情況下發生漏水，對實驗設備和材料的損害是巨大的。在易發生漏水的位置，如水池周圍地板下方、窗臺附近安裝濕度傳感器，以備發生漏水時及時通知管理員。電流電壓傳感器連接在實驗設備敏感單元內部，實現電流電壓過大時自動斷電。無線溫度傳感器安裝于刀閘、電纜接頭、接觸器觸點、母線連接點等各類高低壓設備連接點，通過監測其溫度，預防溫度過高引起的事故。另外，墻體周圍分散安裝溫度傳感器，作為空調啟停的控制參數。人體感應傳感器安裝于燈具旁。人體進入傳感器感應范圍內時，傳感器就會輸出一個高電平脈沖信號或高電平延時信號，輸出的感應脈沖或延時信號可以直接驅動照明燈。

2.RFID-EAS無線射頻-電子標簽。無線射頻技術RFID（Radio Frequency Identification）是在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的，相對于傳統的條型碼、磁卡及IC卡，RFID具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環境影響、壽命長、便于使用的特點和具有防沖突功能。EAS（Electronic Article Surveillance）是一種設置在需要控制物品出入門口的RFID技術。這種技術一邊應用于商店圖書館等場所，當未被授權的人從這些地方非法取走物品時，EAS系統會發出警告。實驗室門禁EAS系統由檢測器、電子標簽、解碼器組成。檢測器包括接收、發送兩個模塊，分別安裝在門禁左右兩側，發送模塊利用發射天線發出一定范圍的掃描信號，接收模塊的接收天線與發射天線相對應形成帶狀掃描區域，采用電磁波的共振效應搜索帶狀掃描區域內有無電子標簽經過，檢測到電子標簽隨即產生報警信號。電子標簽是由Lc振蕩回路組成的電子傳感器，在每個實驗設備外殼內部貼裝電子標簽，可以防止將標簽隨意揭掉，解碼器是電子標簽的滅活裝置，由實驗室管理員保管，只有通過解碼器滅活之后才可以授權設備正常出入實驗室門禁。此外，在實驗室出口安裝監視器，形成一定區域的監視空間，當出現實驗設備未授權通過門禁時，系統自動發出警報，并控制監視器拍攝視頻保存于系統特定存儲區。

3.ZigBee無線傳輸技術。zigbee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，其主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。實驗室空間有限，安全管理系統采用的傳感器數量多、布線復雜、不易于維護，因此無線傳輸是實驗室安全管理系統數據傳輸的首選方法。系統采用ZigBee協議實現各個傳感器與主控制器間的數據通訊。每個傳感器匹配一個ZigBee終端組成數據采集模塊，ZigBee終端通過IO口間歇性讀取對應傳感器采集的數據，并將數據打包發送給ZigBee無線路由器進行中轉，無線路由器再將數據包發送給ZigBee協調器，協調器用于組建無線網絡，并將數據發送至主控制器的特定處理模塊。環境控制模塊中，主控制器會對接收的數據進行分析，根據程序中預先設定的參數范圍，直接對空調和照明燈發送控制信號。在事故預警與防盜預警模塊中，主控制器對數據進行處理后，判斷是否存在事故隱患或防盜警報，如果存在，通過androidPN服務器向實驗室管理員的手機發送預警信息。

4.數據庫遠程訪問。實驗室安全管理系統采集的數據包括視頻格式、圖片格式、字符格式，通過ZigBee無線傳輸至主控制器，主控制器對數據進行分析處理，將可作為控制參數或報警參數的數據存放于數據庫A區永久留存，冗余字符數據（即無異常情況下各個傳感器獲取的環境數據）存放于B區，冗余視頻數據存放于C區，數據庫B區與C區數據每學期清空一次。管理員可以在辦公室或家里電腦以及手機隨時登錄安全管理系統訪問數據庫，了解實驗室狀態。

五、結語

隨著電氣類學科實驗室規模不斷擴充的發展需求，面對實驗室運行過程中存在的安全隱患與管理問題，有效的利用現代科技手段實現自動監控與預警，能夠減少安全事故發生的概率，降低管理員的勞動強度，進一步保證了實驗室的安全運行，使學生能有一個良好的課堂環境。

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