基于物联网技术的实验室安全管理探索

李瑞利 黄卓忻 韦树贡 宋俊慷

（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）

随着社会科技水平以及经济水平的不断提升，对高质量人才的需求也愈来愈大，因此各大高校开始不断地扩招，在此形势下，高校实验室获得极大发展，规模随之扩大，其实验设备数量逐渐增多，从而提高对实验室安全管理的要求。现阶段，大多数实验室的安全管理均以人工管理为主，其有效性以及及时性难以达到安全管理的标准，且效率也不够理想，所以，必须积极将物联网技术应用到安全管理中。物联网是一种将互联网计算机作为支撑，借助自组织网络技术、微电子技术以及R FID 射频技术等所建造出来的一种通信网络，其可包含多种实物。随着信息时代的到来，物联网技术已经在许多领域得到有效应用，在物联网技术的助力下，许多行业均实现智能发展，例如：智能农业、智能医疗以及智能交通等等。在实验室安全管理中应用物联网技术，能够使实验室智慧管理成为现实，继而促进实验室教学的有序开展。

一、实验室安全隐患概述

（一）毒害性隐患分析

在一些化学实验室中，所使用的化学药品一般都具有较高毒性，因此极易导致毒害性事故的发生，导致事故发生的因素较多，例如：第一，设备及设施年久失修，老化严重[1]，具有较为明显的缺陷问题及故障问题，导致一些有毒气体以及有毒物质排放达不到标准，或者发生泄漏事件，继而导致中毒；第二，相关人员操作不规范，造成大量有毒气体及有害物质产生；第三，管理不当，导致有毒物品没有得到及时处理，对环境造成污染[2]。

（二）火灾隐患分析

第一，由于部分人员忘记及时将电源关闭，因此导致电器通电时间超出标准，继而导致火灾发生；一些工作人员使用方法错误或者是操作不规范，致使易燃物质和火源接触，导致火灾发生；第三，电线路老化严重。

（三）失窃隐患分析

相关工作人员没有检查好门窗的关闭情况，同时一些实验室的门窗防盗性能不佳，如：锁或者是门的质量不够理想[3]，窗户防盗网没有安装到位等，均极易导致物品失窃事件的发生。

二、基于物联网技术的实验室安全管理系统总体设计

（一）实验室安全管理系统的整体架构分析

基于物联网技术的实验室安全管理系统架构总共分成三层，第一层：感知层；第二层：网络层；第三层：应用层。感知层与人体中皮肤以及眼耳鼻喉等感知系统的作用相似，其主要是借助物联网技术来进行物体识别以及信息采集、汇集数据等工作，同时这也是感知层的主要功能。在该安全管理系统中，感知层借助摄像头、水流量计、M1IC 卡、电能表以及RFID读写器等终端[4]，使门禁系统、水电监控以及视频监控的数据采集以及数据汇集功能得以实现。接着是网络层，其主要由六个部分组成，包括网络管理系统、互联网、云计算平台、有线通信网、数据服务器以及无线通信网等，作用与人体的神经中枢相似，主要承担对感知层所获得数据进行处理、传递的任务。在该系统中，对于短距离的数据传输，主要利用ZigBee无线传感网络来进行[5]，所收集到的各种数据，一般是经过转换之后接入光纤环网，然后向中央服务器传送相应的数据。最后是应用层，这一层主要是用户与物联网的接口，在该系统里，又包括三个层面，即界面、业务以及数据[6]，在业务层中，用户能够使用门禁管理、水流监控、信息管理以及视频监控等相关服务功能。对于系统应用的开发，一般情况下，选择使用FameView 工业组态软件来进行，此外，主要在中央服务器上进行配置工作。

（二）实验室安全管理系统的功能设计分析

基于物联网技术所构建的实验室安全管理系统，其应用功能有6 个，如下：实验室所有房间的实际电能使用情况、门禁管理、水流监测以及视频监控、信息传输、数据分析。

第一，电能监测功能：这一功能通常是对实验室各个房间的实际用电情况进行实时监测，同时及时处理实验室中出现的用电突发情况[7]。为使这一目标得以实现，将一个专门的电能检测电气箱安装到实验室中，借助互感器向电力仪表传输电气箱中的电流信号，继而达到对相应电能信号进行采集整合的目的。对于所采集到的数据，需要将其传输到光纤环网中，这一目标主要通过 ZigBee 无线传输来实现。在数据成功经光纤环网到达系统之后，电能表的相关数据就能被中央服务器读取，继而使实验室用电情况的数据采集功能以及实时监控功能得以实现。

第二，门禁管理功能：设置门禁管理的目的是为避免无关人员闯入实验室造成不必要的麻烦。在门禁管理系统查询清楚相关人员的信息，且确定其身份与使用的要求以及标准相符后，大门才会自动开启，让获得批准的人员按顺序进入实验室中，以此来使实验室的安全得到有效保障。R FID 射频技术是门禁系统采集器的主要技术支撑，其可帮助系统快速、有效地识别目标，同时得到相应的数据及信息，并且及时与数据库中储存的信息相对比，确定信息一致之后，即可允许其进入实验室。

第三，水流监测：这一功能主要是为了对实验室的实际用水情况以及用水安全进行实时监测。将水流量计安装到实验室洗手间里，同时借助光纤环网在中央控制室与流量计之间做一个远距离的通信，利用光纤向中央服务器传输相关数据，继而确保水流监测系统能够及时采集相应的水流使用数据及信息，同时实现水流使用情况的实时监控，避免浪费水的情况出现。

第四，视频监控功能：将一些自动识别光线的摄像头安装到实验室各个房间里，接着采取客户端软件和红外摄像头来使视频数据的实时采集以及及时传送得以实现，相关工作人员能够借助界面来将历史监控画面以及实时监控画面调出；

第五，信息传输功能：功能作用对象为实验室中的设备以及使用实验室人员的信息，主要功能具体为：及时录入、随时查询以及有效修改。

第六，数据分析。这一功能主要是将所收集到的水电信息汇总，同时对其进行分析统计，借助曲线图以及报表的方式来将这些数据输出。

三、基于物联网技术的实验室安全管理系统的实现

（一）构建通信链路

借助光纤收发器来形成实验室通信环形链路，在这样的情况下，一些其他的设备以及设施在进入系统时，只用把协议变成TCPIP 协议就能达到目的[8]，借助服务器，可实现数据的全双高速读取、安全读取、稳定读取，同时写入时也可具备这些要素。设施设备的通信方式实现路径主要有下列四个：

第一，在仪表获得相关的水流量数据之后，AIBUS 协议会对相关数据进行采集，并且将其传输至PLC，PLC 利用串口服务器把PPI 协议变成PPI/TCP，借助光电转换功能，使数据与光纤环网相连；

第二，电力仪表采集数据，仪表协议为Modbus。向ZegBee 协调器传送 Modbus 数据，然后协调器会把所获得的数据转变为 TCP/IP，由于Modbus 是原始协议，因此在转换之后，协议为Modbus/TCP，进入光纤环网通信。

第三，R FID 采集器配备有串口协议，因此，在门禁读卡器完成相应的人员身份信息识别工作之后，会得到对应的数据及信息，借助串口，能够向PLC 传输相关数据，PLC 借助串口服务器把相关数据转变成PPI/TCP，继而达到向光纤环网链路传输门禁数据的目的。

第四，在全部设施设备借助TCP 将数据传输至环网后，将环网作为中介工具，服务器即可获得节点数据，然后向数据库输送所获得的节点数据，最终实现数据快速读取、数据有效处理、数据深入挖掘、数据及时存储以及数据有效控制。

（二）数据采集的实现

为使实时采集数据得到实现，将摄像头以及电能检测电气箱接入实验室中的所有子实验室房间，同时将水流量计安装在实验室每一楼层两端的洗手间里。将R FID 读卡器安装到实验室的大门上。

第一，采集水流量。将采集仪表以及旋进旋涡流量计安装大洗手间的管道中，在流量计中配置有专门的ADC 电路，把模拟量转变为数字量。在对数据进行解析转换之后，将其传送到服务器的数据库里，继而能够对水流使用情况进行及时的统计，同时对相关数据进行有效分析。

第二，采集电量。将电能监测电气箱安装到实验室后，对电气箱进行检查，确保其配有互感器，然后利用ZigBee 终端来向中央控制柜中的ZigBee 协调器传输数据，在对数据进行解析转换之后，数据会被输送到服务器的数据库中，继而使电量数据的统计分析以及实时监控得到实现。

第三，采集视频。摄像头包括两种类型，即带云台球机摄像头以及海康球机摄像头，可以利用组态软件来调动摄像头及其功能。

第四，采集相应的门禁信息。R FID 技术是门禁系统的支撑，构成部分有三个，即PLC、标签以及读卡器。在读卡器读入标签数据之后，借助串口编程，能够将相关数据输送给PLC，PLC 会将读卡器输送给服务器数据库，然后服务器会根据数据的实际分析情况以及处理情况，对不同情况进行响应，同时将情况的相关信息及数据记录下来。

结语

总而言之，随着科学技术的不断发展，物联网技术的应用也逐渐趋于成熟化，在实验室的安全管理中应用物联网技术，不仅能够使设施设备的安全得到一定保障，并且能够进一步提升实验人员以及实验设施管理控制的效率及质量。本文将实验室的门禁管理、水电实时监测以及视频监控作为主要切入点，对物联网技术在实验室安全管理中的应用进行分析，其将多种协议、传感器以及传输网络应用到安全管理系统中，促进实验室安全管理的智能化发展以及现代化发展。物联网技术不仅有助于明确实验室安全管理的方向，并且可以进一步强化实验室安全管理的效果，最终为教学科研服务提供有效地帮助。