柴群

摘要：該文利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、電力載波通信等技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室安全管理現(xiàn)狀，，將物聯(lián)網(wǎng)和電力載波通信技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室安全管理中，討論實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，從而提升實(shí)驗(yàn)室安全管理的水平。

關(guān)鍵詞：傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；電力載波通信；實(shí)驗(yàn)室安全

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0011-02

實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校進(jìn)行科研、教學(xué)、實(shí)踐的重要組成部分，隨著實(shí)驗(yàn)室建設(shè)力度的加大，實(shí)驗(yàn)室的安全管理是實(shí)驗(yàn)室管理工作中及其重要的內(nèi)容之一。如何有效的，快速的發(fā)現(xiàn)安全隱患，并將事故消除在萌芽階段，這也是實(shí)驗(yàn)室管理者一直在研究的內(nèi)容之一。

現(xiàn)階段，各高校老舊實(shí)驗(yàn)室同時(shí)并存，安防系統(tǒng)布線不便，建設(shè)成本過高等實(shí)際情況，本文提出引入傳感器，物聯(lián)網(wǎng)，電力載波通信（PLC）等技術(shù)來設(shè)計(jì)一套高校實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，綜合管理高校實(shí)驗(yàn)室。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)采集信息的終端工具，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，由各種傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)被稱為無(wú)線傳感器網(wǎng)。傳感器的類型有很多，包括溫度、壓力、微振、水生，空氣，紅外，人體，氣味，顏色等，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)室偵測(cè)需要。

物聯(lián)網(wǎng)也是“傳感網(wǎng)”在國(guó)際上的通稱，其目的是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)上來看，物聯(lián)網(wǎng)具有3個(gè)特征：全面感知、信息傳遞可靠，智能處理。根據(jù)這三個(gè)特征，物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以大致分為3個(gè)層次：傳感網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)。

電力載波通信技術(shù)是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。該技術(shù)可以保證在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不要大規(guī)模的重新布線，使用已有的電力線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約布線的成本。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)參考物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)模型，如圖1：

數(shù)據(jù)采集層是由各種類型的傳感器組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)需要部署一種或多種傳感器，這些傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度，煙霧，火焰，人體）等信息，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行匯總、處理，并將處理后的結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)，電力網(wǎng)，無(wú)線傳感器等網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)

實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)服務(wù)器和管理終端構(gòu)成，系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

ZigBee是基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee的技術(shù)特性決定它將是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最好選擇，廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)控制和監(jiān)視等諸多領(lǐng)域。

以美國(guó)Ti公司CC2430/CC2530芯片為代表的 Zigbee SOC解決方案是應(yīng)用最為廣泛的一種物聯(lián)網(wǎng)解決套件，其集成了51單片機(jī)內(nèi)核。TI開發(fā)套件由專業(yè)人士精心設(shè)計(jì)，具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開發(fā)模板、完整的原理圖及例程源碼。 針對(duì)CC2430/CC2530芯片的Zigbee開發(fā)套件可與IAR for MCS-51 集成開發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接，操作方便、連接方便、簡(jiǎn)單易學(xué)，是學(xué)習(xí)開發(fā)Zigbee產(chǎn)品最好最實(shí)用的開發(fā)工具。通過USB接口連接電腦，具有代碼高速下載，在線調(diào)試，斷點(diǎn)、單步、變量觀察，寄存器觀察等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2430/CC2530系列無(wú)線單片機(jī)實(shí)時(shí)在線仿真、調(diào)試。

因?yàn)門I CC2430/CC2530套件優(yōu)異的性能和廣泛的市場(chǎng)占有率，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由搭載Zigbee芯片的CC2530的TI板作為數(shù)據(jù)采集端的MCU（Single Chip Microcomputer，單片微型計(jì)算機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，通過變壓器采用室內(nèi)照明電路單獨(dú)供電，配有電力載波模塊。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成一個(gè)單元，在每個(gè)單元內(nèi)根據(jù)需要有選擇的部署火焰、煙霧，人體紅外、圖像、RFID等多種傳感器，通過繼電器控制開關(guān)傳感器，對(duì)于耗電量大的圖像、RFID等傳感器，采用變壓器連接室內(nèi)照明電路供電，單元內(nèi)的所有傳感器利用ZigBee芯片進(jìn)行組網(wǎng)。每單元的MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)向樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)傳遞。

3.2 樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)

樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)也是由CC2530的TI板作為數(shù)據(jù)處理的MCU，配有電力載波模塊、短信模塊和7英寸顯示屏。樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間主要通過電力載波網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到實(shí)驗(yàn)室管理員不可能隨時(shí)都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)管理實(shí)驗(yàn)室，在樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)短信模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到異常信息時(shí)，通過短信模塊主要用于向預(yù)先存儲(chǔ)的手機(jī)號(hào)異常信息，如異常入侵，火災(zāi)報(bào)警等險(xiǎn)情。平常安全巡查時(shí)，實(shí)驗(yàn)室管理員通過顯示屏用來查看所負(fù)責(zé)單元的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.3 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)服務(wù)器

實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)服務(wù)器主要用來分類存儲(chǔ)樓層數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的原始信息，以備事后檢查。除此之外，服務(wù)器還用來存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，用于人員、信息顯示、分析等功能。

3.4 管理終端

為了便于實(shí)驗(yàn)室管理，實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠利用各種主流終端通過遠(yuǎn)程訪問，方便管理者隨時(shí)隨地查看實(shí)驗(yàn)室的狀況，及時(shí)處理可能遇到的各種安全隱患。

4 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)工程原則，對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要涉及用戶管理，信息管理，報(bào)警管理等，可以實(shí)現(xiàn)管理員增加與刪除，修改登錄密碼；查詢歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，消除警報(bào)信息等，使系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室狀況，最大限度地保障實(shí)驗(yàn)室的安全。

5 總結(jié)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全管理，同時(shí)解除了人力資源，設(shè)備資源的利用率，給高校實(shí)驗(yàn)室管理工作創(chuàng)造了新思路，下階段將對(duì)該新系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)安全管理的智能化。

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【通聯(lián)編輯：梁書】