物聯網技術在高校實驗室安全管理的應用研究

柴群

摘要：該文利用傳感器、物聯網、電力載波通信等技術，結合當前高校實驗室安全管理現狀，，將物聯網和電力載波通信技術應用到實驗室安全管理中，討論實驗室安全管理系統設計模型，從而提升實驗室安全管理的水平。

關鍵詞：傳感器；物聯網；電力載波通信；實驗室安全

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0011-02

實驗室是高等學校進行科研、教學、實踐的重要組成部分，隨著實驗室建設力度的加大，實驗室的安全管理是實驗室管理工作中及其重要的內容之一。如何有效的，快速的發現安全隱患，并將事故消除在萌芽階段，這也是實驗室管理者一直在研究的內容之一。

現階段，各高校老舊實驗室同時并存，安防系統布線不便，建設成本過高等實際情況，本文提出引入傳感器，物聯網，電力載波通信（PLC）等技術來設計一套高校實驗室安全管理系統，綜合管理高校實驗室。

1 關鍵技術簡介

傳感器是物聯網采集信息的終端工具，是實現自動檢測和自動控制的首要環節，由各種傳感器組成的網絡被稱為無線傳感器網。傳感器的類型有很多，包括溫度、壓力、微振、水生，空氣，紅外，人體，氣味，顏色等，完全能夠滿足實驗室偵測需要。

物聯網也是“傳感網”在國際上的通稱，其目的是實現萬物互聯，最終實現智能網絡。從技術上來看，物聯網具有3個特征：全面感知、信息傳遞可靠，智能處理。根據這三個特征，物聯網結構可以大致分為3個層次：傳感網絡、傳輸網絡、應用網絡。傳感網絡負責采集數據，傳輸網絡負責傳輸傳感網絡采集到的數據，應用網絡負責處理數據。

電力載波通信技術是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。該技術可以保證在數據傳輸時不要大規模的重新布線，使用已有的電力線就可以進行數據傳輸，節約布線的成本。

2 系統模型設計

系統參考物聯網三層體系架構，構建實驗室安全管理系統模型，如圖1：

數據采集層是由各種類型的傳感器組成，負責數據的收集，每個實驗室內根據需要部署一種或多種傳感器，這些傳感器協作地監控不同位置的物理或環境狀況（比如溫度，煙霧，火焰，人體）等信息，并對收集到的信息進行匯總、處理，并將處理后的結果傳遞給數據傳輸層，數據傳輸層通過互聯網，電力網，無線傳感器等網絡將收集到的數據及時傳遞給數據處理層，數據處理層對收集到的數據進行分類處理。

3 系統組網

實驗室安全管理系統由數據采集系統、樓層數據匯聚系統，實驗室安全管理系統服務器和管理終端構成，系統組網如圖2。

3.1 數據采集系統

ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。ZigBee的技術特性決定它將是無線傳感器網絡的最好選擇，廣泛用于物聯網，自動控制和監視等諸多領域。

以美國Ti公司CC2430/CC2530芯片為代表的 Zigbee SOC解決方案是應用最為廣泛的一種物聯網解決套件，其集成了51單片機內核。TI開發套件由專業人士精心設計，具有基于2004/2006/2007/PRO協議棧的開發模板、完整的原理圖及例程源碼。 針對CC2430/CC2530芯片的Zigbee開發套件可與IAR for MCS-51 集成開發環境無縫連接，操作方便、連接方便、簡單易學，是學習開發Zigbee產品最好最實用的開發工具。通過USB接口連接電腦，具有代碼高速下載，在線調試，斷點、單步、變量觀察，寄存器觀察等功能，實現對CC2430/CC2530系列無線單片機實時在線仿真、調試。

因為TI CC2430/CC2530套件優異的性能和廣泛的市場占有率，本系統的數據采集系統是由搭載Zigbee芯片的CC2530的TI板作為數據采集端的MCU（Single Chip Microcomputer，單片微型計算機）進行數據控制，通過變壓器采用室內照明電路單獨供電，配有電力載波模塊。每個實驗室構成一個單元，在每個單元內根據需要有選擇的部署火焰、煙霧，人體紅外、圖像、RFID等多種傳感器，通過繼電器控制開關傳感器，對于耗電量大的圖像、RFID等傳感器，采用變壓器連接室內照明電路供電，單元內的所有傳感器利用ZigBee芯片進行組網。每單元的MCU負責數據對收集到的數據向樓層數據匯聚系統傳遞。

3.2 樓層數據匯聚系統

樓層數據匯聚系統也是由CC2530的TI板作為數據處理的MCU，配有電力載波模塊、短信模塊和7英寸顯示屏。樓層數據匯聚系統和數據采集系統之間主要通過電力載波網進行數據傳輸。考慮到實驗室管理員不可能隨時都在實驗室內管理實驗室，在樓層數據匯聚系統內培養短信模塊，當數據采集系統采集到異常信息時，通過短信模塊主要用于向預先存儲的手機號異常信息，如異常入侵，火災報警等險情。平常安全巡查時，實驗室管理員通過顯示屏用來查看所負責單元的實時狀態。

3.3 實驗室安全管理系統服務器

實驗室安全管理系統服務器主要用來分類存儲樓層數據匯聚系統傳輸過來的數據采集系統采集到的原始信息，以備事后檢查。除此之外，服務器還用來存儲實驗室安全管理系統，用于人員、信息顯示、分析等功能。

3.4 管理終端

為了便于實驗室管理，實驗室安全管理系統應當能夠利用各種主流終端通過遠程訪問，方便管理者隨時隨地查看實驗室的狀況，及時處理可能遇到的各種安全隱患。

4 實驗室安全管理系統設計

根據軟件設計工程原則，對實驗室安全管理系統進行設計，主要涉及用戶管理，信息管理，報警管理等，可以實現管理員增加與刪除，修改登錄密碼；查詢歷史監控數據，導出數據，消除警報信息等，使系統能夠有效地監測實驗室狀況，最大限度地保障實驗室的安全。

5 總結

綜上所述，物聯網技術能夠有效進行實驗室安全管理，同時解除了人力資源，設備資源的利用率，給高校實驗室管理工作創造了新思路，下階段將對該新系統進行優化，實現實驗安全管理的智能化。

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【通聯編輯：梁書】