校园多分布式危化品的智能测控系统研制

摘 要：危化品的智能管理和全过程使用监督，对保障实验室安全具有重要意义，是智慧校园建设的核心内容。为此，设计了一种基于国产统信UOS操作系统的校园实验室危化品存储柜分布式智能管理系统。该系统采用Python软件开发UOS主控系统，依托实验室内的局域网作为通信载体，构建分布式主从架构，支持从机快速复制机制。服务端通过局域网通信响应多分布式下位机应答指令和完成危化品使用相关数据库记录工作，客户端完成动作申请、授权并驱动单片机系统完成实验室开柜开锁动作。系统有效解决了“信息孤岛”问题，兼具封闭性、安全性和实时性的特点，为校园多分布式管理系统研制提供了可借鉴的解决方案。

关键词：危化品；统信UOS；局域网；单片机；安全管理；智能测控系统；智慧校园

中图分类号：TP79；TD76 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

“十四五”时期我国危险化学品安全生产仍处于爬坡过坎、攻坚克难的关键期，拥有安全生产形势持续稳定好转的有利条件，但也面临新旧风险叠加的严峻挑战[1]。高校也是安全生产的主阵地，实验室是进行教研的重要基地。随着我国高校学科多样性发展，实验用危化品的数量显著增加并呈现多分布式的特点，常规监管方式下存在较大的安全隐患，危化品的监管面临很大的挑战[2-3]。构建兼具高可靠性、安全性和实时性的实验室危化品管理系统成为亟需解决的问题。

近年来，高校对实验室管理的重视程度不断加深，尤其是智慧校园的建设对实验室设备管理和系统的发展起到了促进作用[4]。与此同时，与物联网技术紧密相关的通信技术、单片机技术以及传感器技术的不断革新也使得远程监控实验室仪器成为可能[5]。综述相关的管理系统可以发现，通信问题是校园危化品多分布式特点下面临的核心问题，依赖物联网卡或者大功率ZigBee、LoRa等的通信方式构建的系统，其成本和功耗显著性增高，存在“信息孤岛”问题。相对于传统的机械式管理系统[6]，本文设计了一种可以远程控制危化品柜的智能管理系统，能够实时记录柜门的开关时间及使用次数，充分利用校园内的局域网进行通信[7]，构建分布式主从架构，支持从机快速复制机制。本文方法为其他校园多分布式管理系统研制提供了可借鉴的解决方案。

1 系统总体方案

本文的危化品存储柜管理系统总体设计框图如图1所示，该系统基于统信UOS操作系统平台进行开发，主要是由下位机模块和上位机组成。

下位机模块以单个实验室为单位进行布置，主要由单片机系统和危化品柜组成。将单片机系统嵌入危化品柜中，与锁体相连，以获得或发送开锁指令。

局域网平台上位机由服务端和多个客户端组成。一个客户端与一个下位机模块组成一个从机，服务端可以匹配多个客户端，以构建分布式主从架构方便监测。管理人员在局域网下登录服务端后，可以在界面查看到每个实验室危化品柜的开关时间与使用次数，通过点击界面按钮开关某个危化品柜，从而解决“一室多柜”的监测问题。

在系统运行前需在客户端上位机界面与服务端上位机界面的IP输入框内输入服务端上位机的IP地址，连接完成后当客户端按下按钮申请取用危化品时，服务端软件界面将会出现“客户端请求开锁”字样，管理人员若同意开锁则需点击屏幕上同意开锁按钮。此时，开锁信号将由服务端通过局域网平台发送到客户端上位机，客户端上位机接收到开锁信号后再将这一指令发送到与其相连接的单片机模块，单片机模块则控制继电器导通将锁体打开。

2 下位机设计

下位机是每个实验室内的子单元，该单元由一个单片机系统嵌入危化品柜组成。

系统使用图2所示的STC89C51单片机，其最小系统主要由时钟电路、复位电路、电源电路组成。单片机串口模块负责下位机模块与客户端之间的数据交互，以及局域网平台服务端与下位机模块的数据交互，以实现危化品封闭管理。将单片机模块嵌入到危化品存储柜中，并与电控锁相连；P2^4引脚与按键相连接，P2^2引脚通过继电器与电控锁连接；使用降压模块将电源降压到5 V给单片机模块供电。

当按下危化品柜客户端界面上的申请开锁按钮时，单片机系统会将开锁信号通过串口发送给客户端；服务端通过局域网平台接收到开锁信号，当服务端的管理人员同意使用时，同意开锁信号将通过局域网平台发送给客户端，危化品柜端的单片机系统串口会接收到信号；此时单片机系统将会执行中断时间，控制继电器使电控锁通电，通电即可开锁取用危化品。

3 上位机设计

局域网平台上位机基于统信UOS操作系统设计，主要是由客户端、服务端和数据库组成。其中：客户端与服务端由Python语言编写，客户端设置在下位机模块，便于实验员申请开柜；服务端用于管理人员通过局域网通信响应多分布式下位机应答指令和查询使用记录；使用Python自带的tkinter 模块展示相关用户界面；MySQL用于将使用记录存储为数据库。

3.1 统信UOS

统信UOS操作系统是一款体现当今主流Linux服务器操作系统发展水平的产品，因其极高的可靠性、持久的可用性、优良的可维护性，在用户的实际运行及使用的过程中深受好评。本文采用统信UOS系统，正因其基于Linux内核[8]，

在网络通信方面有多项优点，能够提供极为广泛的协议栈支持，如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk、ATM通信协议等；具有良好的跨操作系统兼容性，如Windows、Unix、MacOS的环境等，可以与校园所使用的操作系统兼容。

3.2 用户界面

界面的主要功能是接收用户输入和可视化，是用户与应用程序交互的平台[9]。该系统使用Python自带的tkinter库，可提供快速便利创建GUI应用程序的方法。通过鼠标对菜单、按钮等图形化元素触发指令，并从标签、对话框等图型化的显示容器中获取人机对话信息。

危化品柜管理系统的界面由两部分组成：服务端界面和客户端界面。客户端界面由三部分组成，分别是：服务端ID输入、申请开锁与申请信息录入。服务端界面由两部分组成，分别是：服务端IP地址输入与危化品柜数据库的使用记录。数据库采用MySQL创建，以实现用户对数据的查询。

管理人员在局域网平台下通过界面可以查询危化品柜的使用人员、使用物品与使用时间，客户端与服务端的使用者通过界面进行IP输入以实现双方的通信。

3.3 数据库设计

MySQL是关系型数据库管理系统，每个数据库都有一个或多个不同的API用于创建、访问、管理、搜索和复制所保存的数据[10]。该系统使用MySQL创建数据库，数据库内有一个表格包括四个字段名：申请人、物品名称、事由和取用时间，将这些数据规范化存储。对危化品柜的使用进行实时记录，以达到无需纸张、不耗费人力、实现局域网下存储的目的。

3.4 程序设计

程序设计主要是为实现客户端与服务端的通信，以及一些界面的设计。Python语言因其开源本质，已经被移植在许多平台上，本系统在统信UOS操作系统下进行，Python是很好的选择。

危化品柜控制过程：当服务端与客户端的使用人员输入双方的IP，通过局域网平台连接成功。实验员试图打开危化品柜时，只需按下界面按钮，客户端会解析命令，通过局域网发送给服务端；服务端在解析命令后，显示在界面上请求管理人员开锁，管理人员控制按钮授权并驱动单片机系统完成实验室开柜开锁动作，实现对多分布式下位机应答指令的响应。与此同时，将使用数据传输给服务端，服务端将危化品柜的申请人、物品名称、事由以及取用时间的数据同步更新在数据库中，将这些数据规范化存储。具体系统的过程如图3所示。

4 系统整体功能测试

系统主要功能分为检测危化品柜开关状态和记录存储柜的使用情况。测试时，对学校机械学院材料实验室内的危化品柜进行控制。将服务端布置在学校局域网下的一台主机上，在危化品柜端的PC机上登录客户端，并接上单片机系统，完成系统的功能测试。

测试开始时，柜门处于关闭状态，实验员与管理人员分别输入服务端上位机的IP后，客户端与服务端进行连接；连接成功后客户端将会显示“服务器已连接”字样。实验员需要输入申请信息，包括姓名、使用物品以及事由，接着按下“申请开柜”按钮等待管理人员授权即可。客户端测试界面如图4所示。

测试危化品柜的使用记录功能时，在危化品柜端的上位机向服务端申请开锁；服务端上位机管理人员同意申请后，数据库将使用信息进行保存，通过界面即可查询使用记录。每授权开锁一次，数据库会将开关时间与申请信息累积。数据查询测试界面如图5所示。

5 结 语

本系统经过多次的测试改进，已经能够实现在局域网下一键审批危化品柜的功能，实时记录危化品柜的使用记录，充分挖掘实验室资源，避免重复构建。分布式主从架构可以实现从机快速复制机制，尤其是通信部分有效地解决了“信息孤岛”问题。另外，系统兼具封闭性、安全性和实时性的特点，可以满足对实验室危化品柜的安全管理，为校园多分布式危化品管理系统研制提供了可借鉴的解决方案。

参考文献

[1]汤静芳，王洁.交叉学科实验室危险化学品安全管理的探索与实践[J].实验室研究与探索，2022，41（10）：329-332.

[2]冯伟，彭力.实验室危化品试剂智能存储柜系统的设计与实现[J].实验室研究与探索，2021，40（6）：158-163.

[3]刘欣.危险化学品的相关法律法规及其运行机制研究[J].热固性树脂，2022，37（6）：77-78.

[4]李鑫，阳富强.危化品事故人为因素关联规则挖掘与分析[J].中国安全科学学报，2022，32（11）：134-139.

[5]包彤，李潍， 于项毅，等.面向化学品风险管理的数据库比较与分析[J].环境化学， 2023， 42（10）： 3381-3395.

[6]罗婷，陈忱.基于物联网技术的一体化智能运维管理系统探索[J].物联网技术，2022，12（10）：59-60.

[7]姜阔胜，王敏敏，卢振连，等.基于物联网和局域网的校园多分布空调集控系统[J].物联网技术，2021，11（9）：76-78.

[8]贾巧雯，马昊玉，厉严，等.一种嵌入式Linux系统上的新型完整性度量架构[J].计算机研究与发展，2022，59（10）：2362-2375.

[9]李佳昌，张晨星，宋丕伟，等.一种基于MVC架构的智能储物柜交互系统设计[J].物联网技术，2022，12（10）：64-65.

[10]张健，李弋，彭鑫，等.正反例归纳合成SQL查询程序[J].软件学报，2023，34（9）：4132-4152.

作者简介：姜阔胜（1983—），男，山东威海人，博士，副教授，主要研究方向为机械设备状态监测与故障诊断分析、智能视觉检测、智能仪器与虚拟仪器设计。

段惠中（2000—），女，山西临汾人，现就读于安徽理工大学仪器仪表工程专业。

收稿日期：2023-04-17 修回日期：2023-05-15

基金项目：安徽理工大学研究生核心（一流）课程建设项目（2020HX004）；国家重点研发计划（2020YFB 1314203）