基于物聯網的實驗室安全監控系統的設計

金開軍 尚厚玉

摘要：隨著互聯網的不斷發展，實驗室開放管理逐漸轉向智能管理模式。本文以實驗室的安全監控為研究對象，設計基于物聯網的實驗室安全監控系統，主要利用傳感器的終端節點進行實驗室的安全檢測，利用終端節點控制實驗室的通風、消防水閥等安全設備，同時通過無線傳感器網絡，后臺服務器和移動客戶端等設備，分析總結實驗室安全監測的數據通信，從達到實驗室安全監控的目的，保障實驗室的安全運行。

關鍵字：物聯網 實驗安全 監控系統 無線傳感器網絡

1實驗室安全監控系統的總體構架

實驗室安全監控系統由網關、無線節點、后臺服務器、移動客戶端四個部分組成。后臺服務器是整個系統的核心，主要負責監控和通信的數據處理，使系統的監控順利進行。即有效收集數據，分析數據，顯示和傳輸數據。無線節點主要負責安全數據的采集。網關是實驗室安全監控系統的一種網絡交換設備，完成后臺服務器與無線節點的高效連接。移動客戶端的功能是接收實驗室安全監控的數據，并通過后臺服務器遠程監控實驗室和操作實驗室接入網絡的設備。

2實驗室安全監控系統的模塊設計

2.1無線傳感器網絡

無線傳感器網絡主要由電源模塊、無線模塊、控制模塊構成。其中無線模塊主要負責數據的采集和傳輸。電源模塊和控制模塊為無線模塊的工作提供條件?？刂颇K采用msp430f4250微處理芯片，實現安全監控數據的標準采集和整合在分析處理數據后返回無線模塊，用戶可以通過控制模塊設置標準數據交互。有效提取由無線模塊處理的安全數據。但如果用戶未在無線模塊中預先設置工作標準，則系統默認為大規模數據采集標準。電源模塊為控制模塊和無線模塊提供24V電源。為了使無線傳感器網絡收集的數據系統與用戶的有線網絡有機連接，降低系統中無線通信的誤碼率，電源模塊提供兩種供電方式。當系統收集數據的工作量不是太高，且用戶的有線網絡擴展功能不強時，電源可用于維持無線模塊的穩定性以進行數據傳輸反之，系統的供電應直接使用干電池，使系統的能耗有所降低，系統的便攜性有一定的提高。

為了降低安全監控系統采集數據的誤碼率，無線傳感器網絡的設計必須滿足以下幾點：（1）各傳感器之間可自動進行組網;（2）傳感器的定位準確、數據集高效、快捷;（3）系統集數據的請求和傳輸有規律。（4）數據的傳輸要穩定安全。為此，系統無線模塊中進行數據采集和傳輸的終端設備選取CC2530射頻芯片作為系統的射頻模塊，這種CC2530系列的芯片以它成本低、組網功能極其強大并且集成了微處理器和射頻通信為一體的特點，保證系統采集數據的工作效率。CC2530射頻芯片的組網功能極其強大，具有6種自動組網模式，有8051系列的微控制器內核，具備系統硬件調制的功能，能滿足符合實驗室安全監控系統設計的要求。天線接口和顯示接口的數據傳輸協議有智能總線協議和低功耗射頻協議。智能總線協議的最大傳輸距離為1220米，傳輸速率可達9. 8Mbps，并可以實現400個無線傳感器網絡節點同時進行傳輸工作。低功耗射頻協議使用的傳輸工具是介質訪問控制層，抗干擾能力遠遠優于智能總線協議，但是它的傳輸速率低于智能總線協議。經系統測試，當用戶的有線網絡比較穩定時，使用智能總線協議，反之，自動切換為低功耗射頻協議。

控制模塊用于控制無線模塊的數據采集工作，選取msp430f4250微處理器芯片，對系統采集到的傳感器數據進行分析處理。msp430f4250微處理器芯片具有16位的指令計算機結構，能夠對系統節點結構、系統操作方式及系統軟硬件有關編譯的工作進度給予有效合理的協調，以減小系統采集的誤差，降低無線傳輸的誤碼率，提高系統的工作效率。

2.2后臺服務器

后臺服務器的任務是將系統接收到的實驗室安全數據保存到數據庫中，并對數據做相應的分析處理，將控制指令傳送到網關。實驗室管理員可以通過APP或PC端查詢后臺服務器，獲取實驗室安全監測的數據信息，或對實驗室的安全隱患進行遠程控制處理。后臺服務器在移動客戶端和傳感器網絡之間起連接作用，后臺服務器的具體功能為：（1）接收數據，將無線傳感器網終端節點采集的實驗室安全數據從網關中讀出。（2）實驗室安全數據的管理，以列表的形式將每個傳感器檢測到的數據以列表的方式在界面上顯示，方便實驗室管理員查詢。（3）實驗安全設備的運行狀態查詢，在界面上以列表的形式顯示實驗室安全設備的工作狀態，管理員點擊設備圖標，在界面上彈出該設備運行的相關數據并實現設備的開關控制當點擊攝像頭時，調節攝像頭的方向，實現實驗室無死角顯示，并在界面上顯示清晰的圖像或視頻。實驗室的安全隱患易發生于實驗室無人值守，當實驗室安全監控系統產生安全報警提示時，實驗室管理員通過移動客戶端訪問后臺服務器，并在數據庫中查看實驗室安全監控數據，找到實驗室安全隱患原因，控制效果安全設備，排除安全隱患，降低或避免不必要的損失。

2.3移動客戶端

實驗室安全監控系統的移動客戶端采用基于安卓操作系統開發的應用軟件，包括JDK以及Eclipse軟件移動端，連網的移動客戶端輸入ip地址，連接成功后，手機能夠自動進行實驗室安全數據的刷新，實驗室管理員可以實時監控實驗室的安全情況。

3結語

本文主要對實驗室的安全監控進行系統分析，綜合運用物聯網和無線傳感器網絡技術進行實驗室安全監控系統的設計其架構簡單，操作性強，可控性高具有動態路由和自組網等優點在具體使用過程中，能根據不同的需求接入相應的無線傳感器節點。因此能夠適用于不同的實驗室安全監控，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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