物联网技术在实验室安全管理中的应用

史蓓蕾， 张秀山， 陈修亮

(海军工程大学电子工程学院，武汉430033)

0 引言

随着高校的扩招，高校实验室不断发展，实验室规模不断增大，需要管理的保障设施、实验设备越来越多，有些实验设备还十分复杂和昂贵，另外，实验室秩序也需要有效监管。目前的实验室安全监管方式主要是人工管理，不仅十分低效，而且监管的及时性和有效性、人力资源都难以保证，因此，如何确保实验室的安全使实验室变得智慧起来显得越来越重要。

物联网是在现有计算机互联网的基础上，利用微电子技术、RFID射频技术、自组织网络技术等构造的包含很多实物的通信网络。21世纪是物联网通信时代，物联网的最终目标是实现智慧地球，这是物联网发展的未来趋势。目前我国物联网运用领域包括智能家居、智能农业、智能交通、智能工业、智能环保、智能医疗等。将物联网技术应用到实验室安全管理，进而逐步实现智慧实验室，以保障实验教学工作的顺利开展，具有重要的现实意义［1-3］。

1 系统需求分析

1.1 系统应用需求

基于物联网的实验室安全管理系统是通过添加实验室实时监控和智能控制等功能，让实验室的安全管理信息化，提高实验室安全管理的科技水平，为实验室的信息化和智能化打下基础，以最终能实现“智慧实验室”作为发展目标。该系统具体需求如下［4］:

(1)取代过去实验室人员和设备信息手工登记管理方式，实现实验室资源信息化管理，方便实验室资源共享，对设备和人员信息能进行管理、分析和统计。

(2)对实验室的水、电进行实时监测，并能对监测到的数据进行分析统计，对实验室用水、用电安全进行监控，并提供友好的观测界面。

(3)对实验室各个房间进行视屏监控，并能提供视频历史回放功能，以防止各种安全意外的发生。

(4)实现实验室的门禁控制功能，只有授权通过的实验室人员才能通过刷卡进入实验室，增加实验室的安全性。

1.2 系统性能要求

该系统的最终目标是能切实推广应用于高校实验室的安全管理，因此必须满足能长期稳定运行的要求。所以系统需要满足以下性能要求［5-6］:

(1)系统完整性。完整性是衡量一个系统好坏的重要标志。本系统在需求分析阶段，实地调研，深入研究基于物联网实验室安全管理的需求，形成完整的需求分析文档;在开发阶段，应充分考虑该系统的现有功能和扩展性;在测试阶段，完整测试系统的所有功能。

(2)系统可靠性。该系统实时采集实验室的水、电使用数据，并对实验室进行实时监控，属于实时系统，必须要有很好的系统可靠性。

(3)系统可扩展性。物联网包括感知层，网络层和应用层3个层次，每个层次都有各自的行业标准或国际标准，一般采用模块化设计思想，各模块之间要遵循统一的电气和数据接口，可以自由组合重构物联网应用系统。

2 系统总体设计

2.1 系统整体架构

系统体系架构可分为感知层、网络层和应用层，如图1所示。

感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等感知系统，它是物联网识别物体、采集信息的手段，其主要功能是识别物体、采集信息、数据汇聚等。在本系统中感知层采用水流量计、电能表，摄像头、RFID读写器和M1 IC卡等感知终端，用来实现水、电监控，视频监控和门禁系统的采集和汇聚功能。

图1 系统体系架构图

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统、数据服务器和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。本系统中应用了ZigBee无线传感网络来实现短距离的数据传输功能，采集的各类数据通过转换接入光纤环网，并最终将数据汇总至中央服务器。

应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口。在该系统中，分为界面层(UI)、业务层和数据层，其中在业务层，给用户提供了水流监控、电能监控、视频监控、门禁管理、信息管理和统计分析等功能。系统整个应用层采用FameView工业组态软件开发，配置在中央服务器上［7-9］。

2.2 系统功能设计

主要的应用功能包括实验室卫生间的水流监测，实验室各个房间的电能使用情况监测和视频监控，以及门禁管理功能［11］。

(1)水流监测。该功能主要是实时监测实验室用水安全情况。为实验室洗手间安装水流量计，并在流量计和中央控制室之间利用光纤环网做远距离通信，使用光纤传输数据至中央服务器，实现对用水情况的实时监控和数据采集功能。

(2)电能监测。该功能主要是实时获取实验室的用电情况，并对实验室用电突发情况做出处理。为达到此目的，在实验室中装有专用电能检测电气箱，其中通过互感器将电气箱中的电流信号传至电力仪表，完成常规电能信号的采集。将采集到的数据使用ZigBee无线传输方式，将数据传输至光纤环网，数据经光纤环网进入到系统后，中央服务器就可读取电能表数据，实现对用电情况的实时监控和数据采集功能。

(3)视频监控。该功能主要实现对实验室情况的实时监控。在实验室各房间安装自动识别光线的摄像头，利用红外摄像头及客户端软件实现视频数据的采集和传输，用户最终可通过使用界面，调出实时监控画面以及历史画面。

(4)门禁管理。该功能主要用于识别实验室使用人员身份，符合要求才获准进入，以确保实验室的安全。门禁系统采集器利用RFID射频技术识别目标标签并获取相关信息，并和数据库中信息进行比对，信息一致，便获准进入实验室。

(5)信息管理。该功能主要实现对实验室的信息进行管理和资源共享。通过对人员和设备信息的录入、查询、修改功能，实现对实验室的信息数字化。

(6)数据分析。该功能实现对采集到的水、电等信息进行汇总、统计和分析，并能形成各类报表和曲线图进行输出。

3 系统实现

系统通过光纤环网方式，将RFID、红外报警视频、水流量、电力参数等信息上传至中央服务器，通过中央服务器被操作人员观察以及操作，组成C/S结构，形成集中控制模式。中央服务器可记录实时监测到的数据，并形成报表、曲线、数据包等形式供分析和查证。图2为物联网实验室安全监控系统架构［12］。

图2 物联网实验室安全监控系统基本组成架构

中央服务器和控制柜位于中央控制室内，所有信号集成到中央服务器内，服务器内安装FameView组态软件。中央控制柜内设有224CPU、串口服务器、光纤交换机、ZigBee协调器、PLC控制器、光纤转换盒、硬盘录像机、视频切换矩阵、工控机、显示器等设备。

3.1 通信链路的组建

通信链路采用光纤环网方案，由多个光纤收发器将整个区域通信形成环形链路，其他设备只需要将协议转换成TCPIP协议即可顺利进入系统，通过服务器可与其进行全双工高速、稳定、安全的数据读取与写入。其他设备通信方式分别为串口、以太网、ZigBee。具体实现如下［13］:

(1)仪表得到水流量数据后，AIBUS协议由PLC自由口编程，将数据采集到PLC，PLC得到数据后通过串口服务器将PLC的PPI协议转成PPI/TCP，由光电转换功能模块将数据接入光纤环网。

(2)电力仪表采集电力数据，仪表协议为Modbus。通过Zegbee终端无线传输方式将Modbus数据透传至ZegBee协调器。协调器自身将所得到的数据转成TCP/IP，因原始协议为Modbus，则转换后的协议为Modbus/TCP，即可进入光纤环网通信。

(3)RFID采集器带有串口协议，当门禁读卡器得到数据后，通过串口将数据发送至PLC，PLC通过串口服务器将数据转换为PPI/TCP，由此将门禁数据传送至光纤环网链路。

(4)所有设备成功将数据通过TCP方式进入环网，服务器通过环网得到所有节点的数据，将数据采集至数据库进行读取、存储、处理、控制和数据挖掘等。

3.2 数据采集的实现

为了能实现实时数据的采集，实验室下设的5个子实验室房间均接入了电能检测电气箱和摄像头，在实验室楼层两端的2个洗手间内加装了水流量计。在实验室大门处，安装了RFID读卡器。

(1)水流量采集。在两个洗手间管道上配有旋进旋涡流量计和采集仪表，流量计配有ADC电路，将模拟量转换成数字量。最终数据在解析转换后被传输至服务器数据库，最终实现水流量数据实时监控和统计分析功能。

(2)电量采集。在电能监测电气箱内，主空开三相线路配有互感器，通过互感器将电流信号传至电力仪表，通过ZigBee终端将数据透传给中央控制柜中ZigBee协调器，经过解析转换后，数据传输至服务器数据库，最终实现电量相关数据实时监控和统计分析。

(3)视频采集。摄像头采用海康球机和带云台球机摄像头两种类型。海康摄像头自带客户端，能打开设备，并通过组态软件调用其执行文件。

(4)门禁信息采集。门禁系统采集器利用RFID技术，采集系统主要由三部分构成:标签、读卡器、PLC。读卡器将标签数据读入后，通过串口编程将数据传入PLC，PLC得到数据后，将数据传输至服务器数据库，服务器通过数据分析处理，响应不同情况，记录不同情况等。服务器分析完后，发送命令给PLC，通过PLC实现电路控制，如门磁开关、报警灯开关等。

3.3 系统软件的实现

如图3所示为系统软件实现的主界面，主要有电能、水流量监测，安防监控子系统、报表打印和出入管理子系统。系统操作方便，可视性强，可以对不同房间的水电、视频进行实时监测。

图3 系统主界面

4 结语

本文首先对实验室的传统管理方式的不足进行分析，然后提出可以将物联网技术应用于实验室的水电实时监测、视频监控和门禁管理等方面，应用了多种传感器、多种传输网络和协议实现了一套基于物联网的实验室安全管理系统。这对进一步建设现代化、智能化的实验室安全管理是一次有益尝试。物联网为实验室的安全管理提供了一种新的思路，能更高效保证安全，确保实验室最大限度地为教学科研服务［14-15］。