物联网技术在实验室安全防护系统中的设计研究

庄文玲

（济南职业学院，山东济南，250103）

0 引言

全球各大高校都以实验室为依托进行教学和科研活动，实验室配备的资源占整体高校资源的半数以上，比如自动化程度不高、环境缺乏安全性、经常丢失仪器、缺乏有效监督等。同时很多高校实验室依旧是有线形式的安防系统，，不仅成本过高，并且，硬件系统构建面临布线复杂的问题，线路极易老化，给维护带来难度。面对高校实验室存在的安全问题，按照具体的需求和实际状况，依托物联网技术的平台，利用无线传感技术、RFID技术、ZigBee技术以及嵌入式系统等，设计了依托物联网的高校实验室安防系统。

1 物联网概念

“物联网”概念的载体是“互联网概念”，将实际信息世界的有关通信和信息交换延伸拓展到物理世界而形成的网络概念，物理世界包括所有物与物或者所有物与人的活动。物联网的定义是利用RFID技术、激光扫描器、全球定位装置、红外感应器等诸多传感设置将万物与网络进行连接，并通信和信息交换纳入相关的协议实施中，并达到识别和管理的智能化目标，这种网络就是物联网。物联网与互联网、传感网之间的内在联系很密切。传感网是无线传感器网络的简称，传感网是由数据处理单元和通信单元的节点、检测区内随机设计的大量传感器，利用无线网络实施信息传递，物物之间、物人之间的信息交互通过自组织的智能网络信息系统的形式实现。至于对物联网与互联网两者的关系，虽然一直观点不一，但两者之间共同的特点是不可否定的。首先，两者之间有相同的技术基础，都利用分组技术进行分组，数据分组网是共同的承载网；其次，两者的承载网和业务网是各行其道，业务网不依靠承载网，具有一定的独立性。同样，比较两者的特点，物联网比互联网更有优势，例如终端的多元化、感知智能化和自动化等优势。

2 实验室安防系统概况

2.1 系统概述

经过调查发现，新的形式下，很多高校实验室依旧采用人工管理的模式，实验室里信息的获取主要是靠人的观察来完成，该管理形式既滞后又被动，特别是在实验室无人的情况下，存在一定的安全隐患，有可能不可预料的损失。基于此，本文提出的基于物联网的实验室安防管理系统，具备便捷化、高可靠、低成本的特点。本系统依托物联网技术，集RFID、 ZigBee、 无线传感网络以及嵌入式系统等技术于一体，可以高效采集和传输实验室安防信息，开发设计了实验室安防信息管理系统，真正实现了高校实验室安全防护工作的集中监控与管理，确保实验室的管人员对异常信息的及时获取。该系统在降低了安全隐患的同时，更大大减轻了实验室管理人员的工作负担。

图1 物联网、互联网及传感网三者之间的关系

2.2 系统功能

(1)防盗报警功能

当实验室遭受门窗被撬、玻璃被打破等非法入侵时， 传感器就会检测到入侵信号，然后通过Zigbee模块把信号发送到中转站，经过处理后利用有线方式将信息输送到管理人员的电脑上，并利用无线方式以短信的形式发送到管理者的手机上，确保管理人员无论在哪里都可以接收到报警信息。

(2)火情报警功能

为了预防实验室内的火情，都会设置温度传感器和烟雾传感器。一旦检测到有烟雾或者室温升高时，系统就会通过Zigbee模块向中转站发送检测到的传感器数据，中转站进行数据处理后，把信息分别发送到管理人员的电脑和手机上，及时采取处理的措施。

(3)安防信息管理功能

实验室的安全防护信息可以通过后台PC机存入数据库，以供管理者查询、研究数据以及报表输出。

(4)对安防状况了解掌握的功能

监控中心可以帮助管理员向系统前端发出指令，以了解掌握当前的安防情况，了解的方式有两个：可以通过后台 PC机或在其他地方通过手机。

3 基于物联网技术的实验室安全防护系统设计研究

3.1 系统功能需求分析

因为各大高校的师资力量的差异性，对实验室建设的资金设备投入也各自不同，通常普通高校实验室只需配备简单的具备报警功能的安防设备就是可以了，但对全球一流大学来说，对实验室安全防护系统有非常高的要求。实验室安防系统是由硬件和软件构成的复杂的技术系统，在开发和设计阶段，为了确保系统的完善性、最短的开发周期、高效率的目标，有必要进行分析和设计的多重性，合理地分析好协调该系统的设计开发过程。本文研究了不同类型和级别的实验室不同的安全功能需求，充分吸收借鉴实验室安防系统设计的成功典范，以物联网为基础，进行实验室安防系统的设计研究，该系统的核心模块有三个部分：WSN环境监控系统、远程监控系统及门禁控制系统。该系统的功能需求满足如下条件：

(1)WSN环境监控系统可以满足两方面的功能需求，即对实验环境信息的全天候监测，以及在系统中有效传输监测到的环境相关参数。WSN环境监控系统设置的子系统，针对收集到的数据通过传感器节点实施有效处理，也就是系统中的一个节点可以获取诸多环境数据；如此，多个传感器节点可以在一个区域范畴内共同的环境参数；另外，系统中各个节点可以行使处理传输数据的功能，协调器会接收路由节点以及终端节点传输的有效数据，之后输送给计算机，同时也可将上位机的命令发送给系统的各个节点。

(2)该安防系统需要满足的监测需求是针对区域的各种变化，因为诸多动态节点组成的无线传感网，网络结构的变化往往会取决于节点数量和空间位置的变化，新的节点对于新网络的自主加入，其构成是网络中其他节点以及相关的网络。

(3)因为环境监测位置存在的差异性，有些位置不具备电源的稳定性，通常会利用电池作为工作电源，要想实现节点工作的连续性以及缩减更换电池的次数，就必须最大限度减少节电器的能量消耗。

(4)门禁系统必须满足身份验证的功能需求，人员进出实验室的时候，进入的条件就是验证合格。门禁控制系统的另一功能是对个人信息的注册与删除，并且验证ID卡的关联性，以及可以对人员与卡片关系的修改，也能够对卡片的挂失、注销、解挂等的处理；可以对刷卡状态和门禁开关进行实时监控，详细记录持卡人的信息以及每次开门的日期和具体时间，一旦系统检测到非注册卡、挂失卡、系统被破坏、故障发生等情况，系统就会及时将报警信息发送给监控中心，管理人员会按照报警信息查找原因同时进行有效地处理，系统会在数据库中储存此次事件。

(5)该安防系统的远程监控系统可以实时对实验室内环境和门禁状态进行监控，同时按照检测到的相关数据向各个子系统发出指令。

3.2 系统功能模块设计

根据以上的实验室安防系统的功能需求的析，该安防系统完全可以完成对外界环境自动检测和自动报警、智能控制门禁系统以及根据需求进行功能拓展。按照安防系统具备的功能进行系统模块的设计，功能模块设计如图2所示。

图2 实验室安防系统功能模块

实验室安防系统设计的功能模块包括中央控制器、Zigbee 协调器、 环境监控子系统、物联网扩展子系统、门禁子系统、路由器、远程监控系统及移动手机等。在该模块中，门禁系统的作用是实时监控实验室的出入口，确保便利性和安全性，进出实验室的人员务必要携带专门内置的识别卡，该卡是超高频 RFID 芯片的射频装置；环境监控子系统的作用是实时监测实验室内的环境，以保证实验室内的环境安全；远程监控系统的作用是利用计算机监控整个系统，按照监控的状况进行控制命令的发布；报警信号被系统获取后，系统会把报警信息利用移动网络传输给提前设置的报警号码进行发布；物联网扩展子系统作用是按照不同客户的需求进行功能扩展。

3.3 系统体系架构设计

本研究利用RFID技术、ZigBee技术、无线传感技术以及嵌入式系统等，提出以物联网结构为依托的实验室安防系统的设计方案。实现的主要功能目标是监测实验室的环境、控制门禁、异常情况的实时报警处理。系统体系构架如图3所示。

从图3可知，以物联网为基础设计的实验室安防系统主要构成模块包括：中央控制系统、 WSN 环境监控子系统、 门禁控制子系统和远程监控子系统。这些模块设计功能如下。

（1）中央控制系统

该系堪称是实验室安防系统的中枢神经，服务器控制端程序在电脑等设备上进行设计，与该系统的WSN环境监控子系统以及门禁控制子系统形成应有程序的实时连接和实时通信。

（2）WSN环境监控系统

该系统的设计宗旨是实时监测实验室的环境动态变化，通过事前设计的预警阈值进行报警。系统框架是利用 Zigbee无线通信模式构建无线传感器体系，利用不同传感器模块与网络中的终端节点构成信息采集模块，能够实时采集实验室内的不同环境信息，并将信息通过无线传感网络发送给协调器，中央控制系统与协调器进行通信并接收传来的数据，并通过系统将数据储存于数据库，中央控制分析处理传来的数据，如果发现异常数据，便会向协调器发送相应的控制命令，协调器利用Zigbee网络发送该命令，报警之后采取及时有效的安全防护措施等。同时用户可以对入库信息进行实时查看。

（3）门禁控制系统

门禁控制系统进行了智能化管理的设计，可以通过阅读器感应内置的射频识别卡，同时对卡中信息准确读取，向门禁控制器发送读取的信息，门禁控制器判断持卡人信息的有效与否，如果是有效信息，则发送开门的指令，门禁控制器就会开门放行，如果是无效信息，则不进行开门命令的发布同时发出警报信号，并且将该事件数据信息储存至数据库内；系统中的各种参数则是由门禁管理中心进行设置，同时也可以实时监视和控制门禁的开/关状态。

（4）远程监控系统

远程监控系统是实验室安防系统的监控界面，是以Visual Studio2010平台为设计依据，实现以监控界面对实验室的安全监控，本研究采用C#编程语言进行程序编写，可以对实验室不同环境信息和门禁系统状态进行实时查询。