劉 駿

(紹興文理學(xué)院 資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，浙江 紹興 312000)

隨著高等教育事業(yè)的快速發(fā)展和辦學(xué)形式的多樣化，高校的實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)規(guī)?？焖倥蛎?，不僅實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地面積大大增加，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備尤其是大型儀器設(shè)備的數(shù)量也越來(lái)越多。另外，由于在很多高校建設(shè)的新校區(qū)，實(shí)驗(yàn)室集中于某幾幢大樓里，科研人員密集，一旦發(fā)生安全事故，可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)高速發(fā)展的新時(shí)期，實(shí)驗(yàn)室的安全管理工作顯得尤為重要。

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并逐步走向成熟，為實(shí)驗(yàn)室安全管理工作提供了新的技術(shù)保障[2-3]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往采用視頻監(jiān)控及離線式的火警裝置。這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)若安置在每層樓道的每個(gè)房間將大大增加成本，值班人員面對(duì)眾多的視頻圖像也很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的信息化水平、管理效率，縮短安全事故反應(yīng)時(shí)間。

一、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是綜合運(yùn)用智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的能夠快速感知安全事故并迅速發(fā)出報(bào)警信息的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)[4-7]。

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)控終端、報(bào)警系統(tǒng)、遠(yuǎn)程(移動(dòng))監(jiān)控終端等構(gòu)成，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有火情監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、有毒及易燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)和防盜監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)作為對(duì)某些需低溫環(huán)境下存放的化學(xué)藥品的監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以作為防火監(jiān)測(cè)的一種輔助監(jiān)測(cè)。有毒及易燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)主要對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣中有毒有害化學(xué)氣體和易燃易爆氣體濃度的監(jiān)測(cè)，在發(fā)生此類氣體泄露時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。人體監(jiān)測(cè)主要用于對(duì)夜間的盜賊入侵檢測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。本地監(jiān)控終端通過(guò)服務(wù)器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若有報(bào)警，本地監(jiān)控終端驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置并利用短信報(bào)警裝置將報(bào)警信息發(fā)送給用戶。用戶也可通過(guò)Internet在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端或移動(dòng)監(jiān)控終端訪問(wèn)服務(wù)器獲取節(jié)點(diǎn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中有五類節(jié)點(diǎn)，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集其他節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到局域網(wǎng)中。其他四種節(jié)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)需要分布于實(shí)驗(yàn)室各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(一)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由三部分組成：傳感器模塊、微控制器模塊和ZigBee通信模塊，如圖2所示。

1.傳感器模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用了四種傳感器模塊，分別是煙霧探測(cè)器、溫濕度傳感器、氣體傳感器和人體探測(cè)器。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

煙霧探測(cè)器用來(lái)探測(cè)是否有火情[8-9]，本設(shè)計(jì)中采用光電型煙霧探測(cè)器RE46C190，該探測(cè)器具有本地蜂鳴器接口和電池低電壓檢測(cè)，具有較低的待機(jī)功耗，可采用3 V供電，使用1400 mAh的鋰電池時(shí)，電池壽命可達(dá)10年。

煙霧探測(cè)器RE46C190的報(bào)警輸出端口連接在微控制器的中斷輸入腳，當(dāng)檢測(cè)到有煙霧時(shí)，該端口輸出高電平，從而在微控制器中斷輸入腳產(chǎn)生一個(gè)上升沿跳變。

溫濕度傳感器采用SHT15，其具有14bit的溫度分辨率和12 bit的濕度分辨率，濕度的精度為±2.0% RH，溫度的精度為±0.3oC[10-11]。

SHT15采用I2C接口與微處理器通信。微處理器通過(guò)I2C口發(fā)送溫度或濕度測(cè)量命令，測(cè)量完成后SHT15會(huì)下拉I2C口的DATA腳表示測(cè)量結(jié)束[12-13]。微控制器通過(guò)觸發(fā)SCK時(shí)鐘信號(hào)來(lái)接收測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量一次的時(shí)間最多為320 ms，微控制器可以在需要的時(shí)候來(lái)接收數(shù)據(jù)。

有毒氣體的檢測(cè)可以根據(jù)需要選擇不同的傳感器，本設(shè)計(jì)采用以MQ135氣體傳感器為核心的模組，其對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，檢測(cè)濃度在10-1000ppm之間[14-16]。模組可輸出模擬量和數(shù)字量，模擬量表示氣體濃度，開(kāi)關(guān)量表示濃度是否超限，門限值可通過(guò)模組上的可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。模擬量和數(shù)字量通過(guò)接口連接到微控制器的模擬量輸入端口和數(shù)字量輸入端口[17]。

本試驗(yàn)日糧添加不同水平過(guò)瘤胃脂肪對(duì)林麝血糖、總蛋白、白蛋白、甘油三酯、膽固醇、鈣、磷、鎂、肌酐、孕酮等無(wú)顯著影響；10 g/d組提高了血清雌二醇和睪酮含量。

人體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用專用處理控制芯片RCWL-9196設(shè)計(jì)的微波感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊。模塊供電電壓為4-28 V，感應(yīng)距離最大為7米，正常時(shí)信號(hào)輸出腳為低電平，當(dāng)檢測(cè)到區(qū)域內(nèi)有物體移動(dòng)時(shí)信號(hào)輸出腳為高電平(3.3 V)，可以與微控制器中斷腳直接連接。

2.微控制器模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用可3 V供電的STM8L051F3低功耗型控制器。火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的煙霧探測(cè)器報(bào)警輸出端口連接在STM8L051F3的中斷輸入腳，正常工作時(shí)，STM8L051F3處于休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到煙霧時(shí)，報(bào)警輸出端口輸出高電平，STM8L051F3的中斷輸入腳產(chǎn)生上升沿中斷，將STM8L051F3喚醒，STM8L051F3將報(bào)警信息按協(xié)議格式打包后通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee通信模塊。

溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的微控制器通過(guò)I2C接口讀取傳感器測(cè)量的溫度和濕度數(shù)據(jù)，為了降低功耗，可以延長(zhǎng)每次測(cè)量間隔時(shí)間，當(dāng)溫度或濕度數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，加快測(cè)量頻率。溫度數(shù)據(jù)可以用來(lái)作為火災(zāi)發(fā)生的輔助檢測(cè)手段。

有毒及易燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的微控制器通過(guò)數(shù)字量和模擬量I/O口與氣體傳感器模塊對(duì)應(yīng)腳相連，數(shù)字量I/O口工作于中斷輸入模式，下降沿中斷方式，當(dāng)該腳電平由高變低，產(chǎn)生中斷；模擬量I/O口工作于模擬量輸入模式，用于檢測(cè)氣體濃度。

人體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的微控制器通過(guò)中斷輸入腳與微波感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊信號(hào)輸入腳相連，中斷方式為上升沿中斷，該信號(hào)有低電平變?yōu)楦唠娖秸f(shuō)明檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)。

上述各微控制器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給ZigBee通信模塊。各數(shù)據(jù)包的格式如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包格式

節(jié)點(diǎn)編號(hào)報(bào)警狀態(tài)模擬量值3字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)

其中，節(jié)點(diǎn)編號(hào)占3字節(jié)，每位的功能如表2所示。

3.ZigBee通信模塊

各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的ZM516X模塊工作于路由模式，即可以發(fā)送本節(jié)點(diǎn)微控制生成的數(shù)據(jù)包也可以轉(zhuǎn)發(fā)其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，并且可以自動(dòng)組網(wǎng)，當(dāng)其中一條路徑出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)調(diào)整到其他路徑進(jìn)行傳輸。

ZM516X模塊的參數(shù)可以通過(guò)配置軟件進(jìn)行配置，ZM516X模塊主要配置參數(shù)如表3所示。

ZM516X模塊采用透明傳輸，微控制器模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包后通過(guò)串口發(fā)送給ZM516X模塊，ZM516X模塊就根據(jù)自動(dòng)建立的路由表根據(jù)目的地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一站路由或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)ZM516X模塊接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的目的地址若是本節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)串口發(fā)送給微控制器模塊，否則轉(zhuǎn)發(fā)給下一站路由或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的目的地址都是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

表2 節(jié)點(diǎn)編號(hào)位分配表

bit23-bit21校區(qū)編號(hào)bit20-bit16實(shí)驗(yàn)樓編號(hào)bit15-bit11樓層編號(hào),0表示地下一層bit10-bit8節(jié)點(diǎn)類別:0表示火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),1表示溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),2表示有毒及易燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),3表示人體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)bit7-bit0對(duì)應(yīng)校區(qū)、實(shí)驗(yàn)樓、樓層中節(jié)點(diǎn)序號(hào)

表3 ZM516X模塊主要配置參數(shù)

配置信息參數(shù)范圍功能說(shuō)明PanID0x0000^0xFFFF網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)本地網(wǎng)絡(luò)地址0x0000^0xFFFF節(jié)點(diǎn)自身地址目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址0x0000^0xFFFF當(dāng)前的通信目的地址,可以由控制器通過(guò)AT指令修改設(shè)備類型0,10=終端設(shè)備1=路由設(shè)備發(fā)送模式0,10=單播模式1=廣播模式通道號(hào)CH11^26可有16個(gè)物理信道

(二)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，采用ZBNET-300C-U網(wǎng)關(guān)設(shè)備。ZBNET-300C-U視距覆蓋半徑可達(dá)2.5 Km，具有10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，可以使用配置軟件通過(guò)有線或無(wú)線方式配置參數(shù)。

如圖1所示，各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線方式與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以有線方式與局域網(wǎng)中的服務(wù)器通信。網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)ZBNET-300C-U工作在Real COM模式，此時(shí)對(duì)于服務(wù)器而言，ZBNET-300C-U相當(dāng)于一個(gè)串口設(shè)備。

三、上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

(一)本地監(jiān)控

本設(shè)計(jì)中，ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、本地監(jiān)控終端和打印設(shè)備構(gòu)成了組成局域網(wǎng)。局域網(wǎng)中的服務(wù)器通過(guò)一個(gè)后臺(tái)服務(wù)程序主動(dòng)連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)ZBNET-300C-U獲取各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

局域網(wǎng)中的本地監(jiān)控終端通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢和接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送的信息，當(dāng)有安全報(bào)警事件時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警設(shè)備并發(fā)送短信給管理人員[18-20]。管理員還可以通過(guò)本地終端對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)撤防布防等操作。

(二)遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過(guò)將服務(wù)器接入Internet，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

基于B/S結(jié)構(gòu)建立無(wú)線傳感網(wǎng)Web監(jiān)控平臺(tái)，管理人員通過(guò)瀏覽器在遠(yuǎn)程查詢傳感器狀態(tài)，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室安全狀況。

四、系統(tǒng)應(yīng)用及測(cè)試

紹興文理學(xué)院南山校區(qū)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大樓現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是在電梯和各樓道口安放攝像頭以及在各樓層配置火災(zāi)報(bào)警器和噴淋裝置。

本系統(tǒng)可部署在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)大樓并與現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合。在涉及到有毒或易燃?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)室安裝氣體傳感器，在走廊安裝煙霧傳感器，在各樓梯口安裝人體探測(cè)器，在對(duì)溫濕度有特殊要求的房間安裝溫濕度傳感器，從而構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并接入校園網(wǎng)。一方面擴(kuò)展了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍，另一方面能夠及時(shí)主動(dòng)的提醒值班人員和管理人員。

經(jīng)過(guò)一個(gè)月的測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N安全測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)和報(bào)警短信，提醒值班人員和管理人員安全事故的類別和位置，有效的提高了應(yīng)對(duì)安全事故的反應(yīng)速度。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)方案，可以實(shí)現(xiàn)基本但又是最主要最常見(jiàn)的火災(zāi)、氣體泄露、盜竊等安全監(jiān)測(cè)，并能實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)警信息給管理人員。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，使用方便，易于掛接到現(xiàn)有的校園網(wǎng)管理系統(tǒng)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。