物聯網技術在實驗室安全防護系統中的設計研究

莊文玲

（濟南職業學院，山東濟南，250103）

0 引言

全球各大高校都以實驗室為依托進行教學和科研活動，實驗室配備的資源占整體高校資源的半數以上，比如自動化程度不高、環境缺乏安全性、經常丟失儀器、缺乏有效監督等。同時很多高校實驗室依舊是有線形式的安防系統，，不僅成本過高，并且，硬件系統構建面臨布線復雜的問題，線路極易老化，給維護帶來難度。面對高校實驗室存在的安全問題，按照具體的需求和實際狀況，依托物聯網技術的平臺，利用無線傳感技術、RFID技術、ZigBee技術以及嵌入式系統等，設計了依托物聯網的高校實驗室安防系統。

1 物聯網概念

“物聯網”概念的載體是“互聯網概念”，將實際信息世界的有關通信和信息交換延伸拓展到物理世界而形成的網絡概念，物理世界包括所有物與物或者所有物與人的活動。物聯網的定義是利用RFID技術、激光掃描器、全球定位裝置、紅外感應器等諸多傳感設置將萬物與網絡進行連接，并通信和信息交換納入相關的協議實施中，并達到識別和管理的智能化目標，這種網絡就是物聯網。物聯網與互聯網、傳感網之間的內在聯系很密切。傳感網是無線傳感器網絡的簡稱，傳感網是由數據處理單元和通信單元的節點、檢測區內隨機設計的大量傳感器，利用無線網絡實施信息傳遞，物物之間、物人之間的信息交互通過自組織的智能網絡信息系統的形式實現。至于對物聯網與互聯網兩者的關系，雖然一直觀點不一，但兩者之間共同的特點是不可否定的。首先，兩者之間有相同的技術基礎，都利用分組技術進行分組，數據分組網是共同的承載網；其次，兩者的承載網和業務網是各行其道，業務網不依靠承載網，具有一定的獨立性。同樣，比較兩者的特點，物聯網比互聯網更有優勢，例如終端的多元化、感知智能化和自動化等優勢。

2 實驗室安防系統概況

2.1 系統概述

經過調查發現，新的形式下，很多高校實驗室依舊采用人工管理的模式，實驗室里信息的獲取主要是靠人的觀察來完成，該管理形式既滯后又被動，特別是在實驗室無人的情況下，存在一定的安全隱患，有可能不可預料的損失?；诖耍疚奶岢龅幕谖锫摼W的實驗室安防管理系統，具備便捷化、高可靠、低成本的特點。本系統依托物聯網技術，集RFID、 ZigBee、 無線傳感網絡以及嵌入式系統等技術于一體，可以高效采集和傳輸實驗室安防信息，開發設計了實驗室安防信息管理系統，真正實現了高校實驗室安全防護工作的集中監控與管理，確保實驗室的管人員對異常信息的及時獲取。該系統在降低了安全隱患的同時，更大大減輕了實驗室管理人員的工作負擔。

圖1 物聯網、互聯網及傳感網三者之間的關系

2.2 系統功能

(1)防盜報警功能

當實驗室遭受門窗被撬、玻璃被打破等非法入侵時， 傳感器就會檢測到入侵信號，然后通過Zigbee模塊把信號發送到中轉站，經過處理后利用有線方式將信息輸送到管理人員的電腦上，并利用無線方式以短信的形式發送到管理者的手機上，確保管理人員無論在哪里都可以接收到報警信息。

(2)火情報警功能

為了預防實驗室內的火情，都會設置溫度傳感器和煙霧傳感器。一旦檢測到有煙霧或者室溫升高時，系統就會通過Zigbee模塊向中轉站發送檢測到的傳感器數據，中轉站進行數據處理后，把信息分別發送到管理人員的電腦和手機上，及時采取處理的措施。

(3)安防信息管理功能

實驗室的安全防護信息可以通過后臺PC機存入數據庫，以供管理者查詢、研究數據以及報表輸出。

(4)對安防狀況了解掌握的功能

監控中心可以幫助管理員向系統前端發出指令，以了解掌握當前的安防情況，了解的方式有兩個：可以通過后臺 PC機或在其他地方通過手機。

3 基于物聯網技術的實驗室安全防護系統設計研究

3.1 系統功能需求分析

因為各大高校的師資力量的差異性，對實驗室建設的資金設備投入也各自不同，通常普通高校實驗室只需配備簡單的具備報警功能的安防設備就是可以了，但對全球一流大學來說，對實驗室安全防護系統有非常高的要求。實驗室安防系統是由硬件和軟件構成的復雜的技術系統，在開發和設計階段，為了確保系統的完善性、最短的開發周期、高效率的目標，有必要進行分析和設計的多重性，合理地分析好協調該系統的設計開發過程。本文研究了不同類型和級別的實驗室不同的安全功能需求，充分吸收借鑒實驗室安防系統設計的成功典范，以物聯網為基礎，進行實驗室安防系統的設計研究，該系統的核心模塊有三個部分：WSN環境監控系統、遠程監控系統及門禁控制系統。該系統的功能需求滿足如下條件：

(1)WSN環境監控系統可以滿足兩方面的功能需求，即對實驗環境信息的全天候監測，以及在系統中有效傳輸監測到的環境相關參數。WSN環境監控系統設置的子系統，針對收集到的數據通過傳感器節點實施有效處理，也就是系統中的一個節點可以獲取諸多環境數據；如此，多個傳感器節點可以在一個區域范疇內共同的環境參數；另外，系統中各個節點可以行使處理傳輸數據的功能，協調器會接收路由節點以及終端節點傳輸的有效數據，之后輸送給計算機，同時也可將上位機的命令發送給系統的各個節點。

(2)該安防系統需要滿足的監測需求是針對區域的各種變化，因為諸多動態節點組成的無線傳感網，網絡結構的變化往往會取決于節點數量和空間位置的變化，新的節點對于新網絡的自主加入，其構成是網絡中其他節點以及相關的網絡。

(3)因為環境監測位置存在的差異性，有些位置不具備電源的穩定性，通常會利用電池作為工作電源，要想實現節點工作的連續性以及縮減更換電池的次數，就必須最大限度減少節電器的能量消耗。

(4)門禁系統必須滿足身份驗證的功能需求，人員進出實驗室的時候，進入的條件就是驗證合格。門禁控制系統的另一功能是對個人信息的注冊與刪除，并且驗證ID卡的關聯性，以及可以對人員與卡片關系的修改，也能夠對卡片的掛失、注銷、解掛等的處理；可以對刷卡狀態和門禁開關進行實時監控，詳細記錄持卡人的信息以及每次開門的日期和具體時間，一旦系統檢測到非注冊卡、掛失卡、系統被破壞、故障發生等情況，系統就會及時將報警信息發送給監控中心，管理人員會按照報警信息查找原因同時進行有效地處理，系統會在數據庫中儲存此次事件。

(5)該安防系統的遠程監控系統可以實時對實驗室內環境和門禁狀態進行監控，同時按照檢測到的相關數據向各個子系統發出指令。

3.2 系統功能模塊設計

根據以上的實驗室安防系統的功能需求的析，該安防系統完全可以完成對外界環境自動檢測和自動報警、智能控制門禁系統以及根據需求進行功能拓展。按照安防系統具備的功能進行系統模塊的設計，功能模塊設計如圖2所示。

圖2 實驗室安防系統功能模塊

實驗室安防系統設計的功能模塊包括中央控制器、Zigbee 協調器、 環境監控子系統、物聯網擴展子系統、門禁子系統、路由器、遠程監控系統及移動手機等。在該模塊中，門禁系統的作用是實時監控實驗室的出入口，確保便利性和安全性，進出實驗室的人員務必要攜帶專門內置的識別卡，該卡是超高頻 RFID 芯片的射頻裝置；環境監控子系統的作用是實時監測實驗室內的環境，以保證實驗室內的環境安全；遠程監控系統的作用是利用計算機監控整個系統，按照監控的狀況進行控制命令的發布；報警信號被系統獲取后，系統會把報警信息利用移動網絡傳輸給提前設置的報警號碼進行發布；物聯網擴展子系統作用是按照不同客戶的需求進行功能擴展。

3.3 系統體系架構設計

本研究利用RFID技術、ZigBee技術、無線傳感技術以及嵌入式系統等，提出以物聯網結構為依托的實驗室安防系統的設計方案。實現的主要功能目標是監測實驗室的環境、控制門禁、異常情況的實時報警處理。系統體系構架如圖3所示。

從圖3可知，以物聯網為基礎設計的實驗室安防系統主要構成模塊包括：中央控制系統、 WSN 環境監控子系統、 門禁控制子系統和遠程監控子系統。這些模塊設計功能如下。

（1）中央控制系統

該系堪稱是實驗室安防系統的中樞神經，服務器控制端程序在電腦等設備上進行設計，與該系統的WSN環境監控子系統以及門禁控制子系統形成應有程序的實時連接和實時通信。

（2）WSN環境監控系統

該系統的設計宗旨是實時監測實驗室的環境動態變化，通過事前設計的預警閾值進行報警。系統框架是利用 Zigbee無線通信模式構建無線傳感器體系，利用不同傳感器模塊與網絡中的終端節點構成信息采集模塊，能夠實時采集實驗室內的不同環境信息，并將信息通過無線傳感網絡發送給協調器，中央控制系統與協調器進行通信并接收傳來的數據，并通過系統將數據儲存于數據庫，中央控制分析處理傳來的數據，如果發現異常數據，便會向協調器發送相應的控制命令，協調器利用Zigbee網絡發送該命令，報警之后采取及時有效的安全防護措施等。同時用戶可以對入庫信息進行實時查看。

（3）門禁控制系統

門禁控制系統進行了智能化管理的設計，可以通過閱讀器感應內置的射頻識別卡，同時對卡中信息準確讀取，向門禁控制器發送讀取的信息，門禁控制器判斷持卡人信息的有效與否，如果是有效信息，則發送開門的指令，門禁控制器就會開門放行，如果是無效信息，則不進行開門命令的發布同時發出警報信號，并且將該事件數據信息儲存至數據庫內；系統中的各種參數則是由門禁管理中心進行設置，同時也可以實時監視和控制門禁的開/關狀態。

（4）遠程監控系統

遠程監控系統是實驗室安防系統的監控界面，是以Visual Studio2010平臺為設計依據，實現以監控界面對實驗室的安全監控，本研究采用C#編程語言進行程序編寫，可以對實驗室不同環境信息和門禁系統狀態進行實時查詢。