張琛

摘要：為了適應(yīng)中國高校開放辦學(xué)的趨勢，解決實踐教學(xué)中實驗室管理困難的問題，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了開放實驗室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)。劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層三層架構(gòu)，能按傳感器類型對實驗室突發(fā)事件進行有效分類，調(diào)取匹配的處置預(yù)案，更加精準地指揮保安和安全員應(yīng)對實驗室事故。實踐表明本系統(tǒng)不僅僅能發(fā)揮安防應(yīng)急指揮的作用，也能加強實踐教學(xué)的管理。

關(guān)鍵詞：開放實驗室；物聯(lián)網(wǎng)；安防系統(tǒng)

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）25-0039-02

2016年2月，國務(wù)院針對城市交通阻塞問題提出了“街區(qū)制”的解決方案，提出居民小區(qū)和企事業(yè)大院應(yīng)逐步向社會開放，優(yōu)化城市路網(wǎng)，提高城市的交通效率。2016年7月，中國人民大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，中國政法大學(xué)等多所北京高校率先開放校園道路，以促進區(qū)域交通微循環(huán)，減少過往車輛繞校園的現(xiàn)象，被社會媒體解讀為“大學(xué)拆墻”。很顯然，隨著中國高校從上世紀五十年代的“大院制”向世界名?！敖謪^(qū)制”的發(fā)展趨勢，中國高校將呈現(xiàn)開放式辦學(xué)的全新姿態(tài)，向社會提供了交通資源、教學(xué)資源、實驗資源與科研資源，這是當前中國高校開放式辦學(xué)的宏觀背景[1]。

隨著普通高校對教學(xué)目標的重定位，特別是各類工程院校意識到培養(yǎng)應(yīng)用型人才才能響應(yīng)中國生產(chǎn)力提升的需求，能解決學(xué)生就業(yè)難問題，因此提出了多種新型的實踐教學(xué)法，與生產(chǎn)需求掛鉤，請企業(yè)工程師擔任實踐教師，圍繞著生產(chǎn)問題而布置學(xué)習內(nèi)容[2]。這樣實驗室從傳統(tǒng)的理論教師安排實驗項目，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生根據(jù)生產(chǎn)需求，在實踐教師的引導(dǎo)下，自發(fā)申請實驗項目。理論教師根據(jù)學(xué)生申請，安排實驗室開放時間和開放項目，學(xué)生可以在指定的時間，在企業(yè)工程師、理論教師的共同指導(dǎo)下開展實驗。這是當前中國高校開放式辦學(xué)的微觀背景[3]。

綜上所述，在中國高校開放式辦學(xué)的需求下，高校的實驗樓周邊人群復(fù)雜，實驗室利用率提高，實驗安排繁忙，實驗項目從風險可控的驗證型實驗向不可預(yù)見結(jié)果的研究型、設(shè)計型實驗轉(zhuǎn)變，從而形成了越來越難以掌控的實驗室安防態(tài)勢。在復(fù)雜的實驗室開放環(huán)境下，一旦發(fā)生實驗室突發(fā)事件時，因為校保衛(wèi)處和保安公司對實驗室情況不熟悉，采取錯誤的應(yīng)對措施，就會引發(fā)嚴重的事故。因此在實驗室事故發(fā)生時，需要采用先進科技判明事故類型，查詢最佳處置預(yù)案，把事故詳情通知實驗室的責任人，把處置預(yù)案告知保安，并調(diào)集實驗室?guī)熒巴г?。針對這一需求，應(yīng)用“感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層”三層開發(fā)架構(gòu)，設(shè)計了一個開放實驗室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)，將能有效地控制突發(fā)事故時的經(jīng)濟損失和人員傷亡[4]。

1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計

本設(shè)計在實驗室前端安裝了各種傳感器，以實現(xiàn)事件類型的感知。一般來說，門磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測門窗在未開放時段被異常打開的突發(fā)事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學(xué)實驗室的操作臺，用于檢測實驗過程中操作流程錯誤導(dǎo)致的毒氣泄露事件；可燃氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃氣體管道附近，用于檢測實驗后未關(guān)閉氣管的事件；RFID傳感器布置成有線的形式，分為兩種，一種是915Mhz的10m距離的讀卡器，用于檢測貴重設(shè)備是否被帶出特定實驗室，一種為13.56Mhz的IC卡門禁讀卡器，配合門磁傳感器，可用于非法入侵實驗室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無線的形式，布置在交通要道處，將隨著實驗樓承擔不同的研究任務(wù)而導(dǎo)致人流熱點區(qū)域改變即時調(diào)整位置，可以用于檢測實驗樓各區(qū)域的繁忙態(tài)勢，大數(shù)據(jù)分析表明，實驗室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關(guān)性；撞擊傳感器布置成無線的形式，用于檢測敏感區(qū)域破壞墻、門、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無線形式，用于在發(fā)生爆炸事故時，分析爆炸區(qū)域和規(guī)模，快速計算疏散路徑的用途；攝像頭采用串口通訊的方式，用于獲取突發(fā)事件發(fā)生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類型，減少誤報事故，同時事故瞬間相片也能讓實驗室負責老師在第一時間了解實驗室的真實狀態(tài)，更好指導(dǎo)保安采取正確的處置措施[5]。在每個實驗室內(nèi)各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過有線和無線的方式，收集傳感器監(jiān)測到的突發(fā)事件[6]。

在網(wǎng)絡(luò)層，MCU把突發(fā)事件編碼，拼接成“房間號，事件號”字符串，通過3G Modem，應(yīng)用Socket通訊技術(shù)向云安防中心發(fā)送字符串。在實驗室突發(fā)事件的同時，MCU向攝像頭發(fā)出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過3G Modem，將事故現(xiàn)場相片上傳云應(yīng)用層的安防中心。隨后，MCU也將報警以短信形式發(fā)送給實驗室的負責教師，將事故圖像以彩信的方式發(fā)送給實驗室負責教師。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層也稱為“云端”，保衛(wèi)處在云端建設(shè)安防中心，收到各實驗室MCU發(fā)來的報警信息后。第一步，先呼叫當班保安立即前往事故現(xiàn)象查看。第二步，在預(yù)案數(shù)據(jù)庫檢索相應(yīng)的應(yīng)對措施，調(diào)取師生安全員的聯(lián)系方式，對所有師生安全員群發(fā)事故短信，并撥打師生安全員手機，要求師生安全員到現(xiàn)場協(xié)助保安處置事故。第三步，向保衛(wèi)處領(lǐng)導(dǎo)，實驗室相關(guān)院系領(lǐng)導(dǎo)，學(xué)校分管領(lǐng)導(dǎo)匯報警情，以備事件難以控制時，能更加有效地組織施救團隊，以及大規(guī)模調(diào)動應(yīng)急物資。

2 硬件開發(fā)

在本系統(tǒng)中，感知層有較多的硬件開發(fā)工作。每個實驗室的核心MCU都要外接十多個傳感器，還需要連接“3G MODEM”。因此選擇飛思卡爾公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33個傳感器，也可通過“MAX232”芯片發(fā)送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”?！?G MODEM”選擇華為公司生產(chǎn)的“GTM 900C”，因為內(nèi)嵌了“TCP/IP”協(xié)議，使得圖像上傳和彩信發(fā)送較容易實現(xiàn)。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產(chǎn)“GXT-Y101”的模塊，其特點是可以通過串口接受MCU發(fā)出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時。

網(wǎng)絡(luò)層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔，內(nèi)置了“增強AT指令集”，因此具有較強大的Socket通訊、短信發(fā)送、圖像傳遞、彩信發(fā)送的功能。實驗表明，在傳遞“房間號，事件號”短信時，只需耗時4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實時圖像，只需耗時30s。

以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過IO腳檢測到傳感器事件；（2）MCU通過串口1，向傳感器同房間的攝像頭發(fā)送拍照指令“5600360100”，攝像頭完成事件瞬間的圖像的感知工作；（3）MCU向攝像頭發(fā)出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數(shù)據(jù)長度；（4）MCU發(fā)出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時長度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發(fā)出指令“5600360103”，攝像頭又恢復(fù)到待機狀態(tài)；（6）MCU通過IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發(fā)送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態(tài)設(shè)置；（8）MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設(shè)置，即用本地的1237端口與互聯(lián)網(wǎng)上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發(fā)起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPSEND = "（圖像數(shù)據(jù)）"”，完成事故圖像向云端的安防中心的上傳，傳遞50 kB的事故圖像約18s；（10） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進入待機狀態(tài)。

3 云端軟件開發(fā)

云端安防中心模塊結(jié)構(gòu)見圖1，云端通過WINSOCK模塊接收各實驗室的門禁信息，通過WINSOCK模塊接收各實驗室的突發(fā)事件傳感器信息和現(xiàn)場圖像，通過一個“GTM 900C”模塊群發(fā)調(diào)度指令給當班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點，也可通過保安的手機移動APP實現(xiàn)對保安的調(diào)度。計算服務(wù)器接著按“房間號”、“事件號”為查詢關(guān)鍵詞，在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫搜索相應(yīng)的“處置預(yù)案”，并從處置預(yù)案中獲得師生安全員的聯(lián)系方式，通過第二個“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發(fā)處置預(yù)案，要求各人員嚴格按處置預(yù)案開展應(yīng)急措施，避免事故擴大或造成應(yīng)急人員傷亡。最后實現(xiàn)彩信群發(fā)，向所有應(yīng)急人員發(fā)布現(xiàn)場照片，讓應(yīng)急人員對現(xiàn)場內(nèi)部狀態(tài)有較準確了解。

如果學(xué)校規(guī)模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監(jiān)控體系，可以通過增加計算服務(wù)器來提高指令發(fā)布的效率。把各計算服務(wù)器布置成并行作業(yè)的狀態(tài)，每一臺計算服務(wù)器都具有應(yīng)急指揮的完全能力，每臺計算服務(wù)器在下達應(yīng)急指令過程中，從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉泵顟B(tài)，由其他空閑計算服務(wù)器來響應(yīng)新的事故報警。該設(shè)計使得云端具有同時應(yīng)對多個事故的指揮能力，而且即使若干計算服務(wù)器突然損壞，也不會導(dǎo)致應(yīng)急指揮的中斷。實踐證明，每三百個實驗室、教室、辦公室配置一臺計算服務(wù)器，在多起突發(fā)事件同時發(fā)生時，云端仍然具有多點撲救的指揮能力。

4 結(jié)論

系統(tǒng)在南京理工大學(xué)紫金學(xué)院進行了測試。紫金學(xué)院采用了“項目教學(xué)法”來培養(yǎng)應(yīng)用型人才，應(yīng)用了“任務(wù)引領(lǐng)，實踐導(dǎo)向”的教學(xué)思想，學(xué)生在企業(yè)實踐教師的指導(dǎo)下，根據(jù)生產(chǎn)需求，自行設(shè)計了各種全新的實驗項目，傳統(tǒng)實驗室管理方法無法適應(yīng)實踐教學(xué)的新需求。應(yīng)用了基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安防系統(tǒng)后，即使實驗項目日趨復(fù)雜，也能按傳感器類型對突發(fā)事件進行有效地分類，調(diào)取匹配的處置預(yù)案，更精準地指揮保安和師生安全員應(yīng)對實驗室事故。而且在平時，實驗室安防系統(tǒng)可以從門磁傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計實驗室的實驗教學(xué)的情況，根據(jù)IC卡門禁讀卡器數(shù)據(jù)計算學(xué)生實踐學(xué)時和教師的實踐課時，通過熱釋電傳感器了解實驗大樓的人群分布，及時調(diào)整巡邏保安的巡防區(qū)域。所以本系統(tǒng)不僅僅能發(fā)揮安防應(yīng)急指揮的作用，也能加強實踐教學(xué)的管理。

參考文獻：

[1] 貫雪英. 項目管理理念應(yīng)用于高中英語教學(xué)的可行性分析[J]. 學(xué)周刊， 2016（8）.

[2] 丁玉波， 王全英， 劉軍帥等. 論高職油氣儲運技術(shù)專業(yè)的專業(yè)定位與人才培養(yǎng)規(guī)格[J]. 天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報， 2016， 18（2）.

[3] 林宇洪， 陳清耀， 巫志龍等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安防報警器設(shè)計[J]. 江西科技師范大學(xué)學(xué)報， 2015（6）.

[4] 刁叔鈞. 高等學(xué)校實驗室建設(shè)與管理的實踐與探索[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2015， 32（6）.

[5] 林鍵. 高校科研型實驗室開放模式下安全管理[J]. 實驗室研究與探索， 2014， 33（10）.

[6] 林宇洪， 沈嶸楓， 邱榮祖. 南方林區(qū)林產(chǎn)品運輸監(jiān)管系統(tǒng)的研發(fā)[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2011， 33（5）.