物联网技术在实验室安全监测系统中的应用

刘 骏

(绍兴文理学院 资产与实验室管理处，浙江 绍兴 312000)

随着高等教育事业的快速发展和办学形式的多样化，高校的实验室资产规模快速膨胀，不仅实验室场地面积大大增加，实验仪器设备尤其是大型仪器设备的数量也越来越多。另外，由于在很多高校建设的新校区，实验室集中于某几幢大楼里，科研人员密集，一旦发生安全事故，可能会带来严重的生命财产损失[1]。因此，在实验室建设高速发展的新时期，实验室的安全管理工作显得尤为重要。

近几年，物联网技术也得到了快速发展，并逐步走向成熟，为实验室安全管理工作提供了新的技术保障[2-3]。传统的实验室安全监测系统往往采用视频监控及离线式的火警装置。这种视频监控系统若安置在每层楼道的每个房间将大大增加成本，值班人员面对众多的视频图像也很难及时发现险情。本文利用物联网技术构建实验室安全监测系统，提高传统实验室安全管理系统的信息化水平、管理效率，缩短安全事故反应时间。

一、实验室安全监测系统架构

实验室安全监测系统是综合运用智能无线传感网络技术、RFID技术、移动网络技术等物联网技术构建的能够快速感知安全事故并迅速发出报警信息的实验室安全监测平台[4-7]。

实验室安全监测系统由智能传感器节点构成的无线传感器网络、本地监控终端、报警系统、远程(移动)监控终端等构成，如图1所示。

实验室的安全监测内容主要有火情监测、温湿度监测、有毒及易燃气体监测和防盗监测。温度监测作为对某些需低温环境下存放的化学药品的监测，同时可以作为防火监测的一种辅助监测。有毒及易燃气体监测主要对实验室空气中有毒有害化学气体和易燃易爆气体浓度的监测，在发生此类气体泄露时能及时发现。人体监测主要用于对夜间的盗贼入侵检测。

图1 实验室安全监测系统架构

无线传感器网络中的网关节点将各监测节点安全监测数据通过局域网发送给服务器。本地监控终端通过服务器获取监测数据，若有报警，本地监控终端驱动声光报警装置并利用短信报警装置将报警信息发送给用户。用户也可通过Internet在远程监控终端或移动监控终端访问服务器获取节点安全监测数据。

二、无线传感器网络节点的设计

本设计中有五类节点，其中网关节点负责收集其他节点的监测数据，并发送到局域网中。其他四种节点为监测节点，根据需要分布于实验室各个监测点。

(一)监测节点的设计

监测节点由三部分组成：传感器模块、微控制器模块和ZigBee通信模块，如图2所示。

1.传感器模块的设计

本设计中使用了四种传感器模块，分别是烟雾探测器、温湿度传感器、气体传感器和人体探测器。

图2 监测节点结构图

烟雾探测器用来探测是否有火情[8-9]，本设计中采用光电型烟雾探测器RE46C190，该探测器具有本地蜂鸣器接口和电池低电压检测，具有较低的待机功耗，可采用3 V供电，使用1400 mAh的锂电池时，电池寿命可达10年。

烟雾探测器RE46C190的报警输出端口连接在微控制器的中断输入脚，当检测到有烟雾时，该端口输出高电平，从而在微控制器中断输入脚产生一个上升沿跳变。

温湿度传感器采用SHT15，其具有14bit的温度分辨率和12 bit的湿度分辨率，湿度的精度为±2.0% RH，温度的精度为±0.3oC[10-11]。

SHT15采用I2C接口与微处理器通信。微处理器通过I2C口发送温度或湿度测量命令，测量完成后SHT15会下拉I2C口的DATA脚表示测量结束[12-13]。微控制器通过触发SCK时钟信号来接收测量数据。测量一次的时间最多为320 ms，微控制器可以在需要的时候来接收数据。

有毒气体的检测可以根据需要选择不同的传感器，本设计采用以MQ135气体传感器为核心的模组，其对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，检测浓度在10-1000ppm之间[14-16]。模组可输出模拟量和数字量，模拟量表示气体浓度，开关量表示浓度是否超限，门限值可通过模组上的可调电阻进行调节。模拟量和数字量通过接口连接到微控制器的模拟量输入端口和数字量输入端口[17]。

本试验日粮添加不同水平过瘤胃脂肪对林麝血糖、总蛋白、白蛋白、甘油三酯、胆固醇、钙、磷、镁、肌酐、孕酮等无显著影响；10 g/d组提高了血清雌二醇和睾酮含量。

人体监测节点采用专用处理控制芯片RCWL-9196设计的微波感应开关模块。模块供电电压为4-28 V，感应距离最大为7米，正常时信号输出脚为低电平，当检测到区域内有物体移动时信号输出脚为高电平(3.3 V)，可以与微控制器中断脚直接连接。

2.微控制器模块的设计

本设计中的各个节点采用可3 V供电的STM8L051F3低功耗型控制器。火灾监测节点中的烟雾探测器报警输出端口连接在STM8L051F3的中断输入脚，正常工作时，STM8L051F3处于休眠状态，当检测到烟雾时，报警输出端口输出高电平，STM8L051F3的中断输入脚产生上升沿中断，将STM8L051F3唤醒，STM8L051F3将报警信息按协议格式打包后通过串口发送给ZigBee通信模块。

温湿度监测节点的微控制器通过I2C接口读取传感器测量的温度和湿度数据，为了降低功耗，可以延长每次测量间隔时间，当温度或湿度数据超出正常范围时，加快测量频率。温度数据可以用来作为火灾发生的辅助检测手段。

有毒及易燃气体监测节点的微控制器通过数字量和模拟量I/O口与气体传感器模块对应脚相连，数字量I/O口工作于中断输入模式，下降沿中断方式，当该脚电平由高变低，产生中断；模拟量I/O口工作于模拟量输入模式，用于检测气体浓度。

人体监测节点的微控制器通过中断输入脚与微波感应开关模块信号输入脚相连，中断方式为上升沿中断，该信号有低电平变为高电平说明检测到移动目标。

上述各微控制器将监测数据打包成相应格式的数据包后发送给ZigBee通信模块。各数据包的格式如表1所示。

表1 监测数据包格式

节点编号报警状态模拟量值3字节1字节2字节

其中，节点编号占3字节，每位的功能如表2所示。

3.ZigBee通信模块

各监测节点的ZM516X模块工作于路由模式，即可以发送本节点微控制生成的数据包也可以转发其他监测节点的数据包，并且可以自动组网，当其中一条路径出现故障时，网络会自动调整到其他路径进行传输。

ZM516X模块的参数可以通过配置软件进行配置，ZM516X模块主要配置参数如表3所示。

ZM516X模块采用透明传输，微控制器模块将监测数据打包后通过串口发送给ZM516X模块，ZM516X模块就根据自动建立的路由表根据目的地址将数据发送到下一站路由或网关节点。当ZM516X模块接收到其他节点发来的数据包，数据包的目的地址若是本节点，则通过串口发送给微控制器模块，否则转发给下一站路由或网关节点。在本设计中，各监测节点的目的地址都是网关节点。

表2 节点编号位分配表

bit23-bit21校区编号bit20-bit16实验楼编号bit15-bit11楼层编号,0表示地下一层bit10-bit8节点类别:0表示火灾监测节点,1表示温湿度监测节点,2表示有毒及易燃气体监测节点,3表示人体监测节点bit7-bit0对应校区、实验楼、楼层中节点序号

表3 ZM516X模块主要配置参数

配置信息参数范围功能说明PanID0x0000^0xFFFF网络ID号本地网络地址0x0000^0xFFFF节点自身地址目标网络地址0x0000^0xFFFF当前的通信目的地址,可以由控制器通过AT指令修改设备类型0,10=终端设备1=路由设备发送模式0,10=单播模式1=广播模式通道号CH11^26可有16个物理信道

(二)网关节点的设计

网关节点负责将ZigBee网络接入以太网，采用ZBNET-300C-U网关设备。ZBNET-300C-U视距覆盖半径可达2.5 Km，具有10 M/100 M自适应以太网接口，支持数据透明传输，可以使用配置软件通过有线或无线方式配置参数。

如图1所示，各个监测节点通过ZigBee网络以无线方式与网关节点通信，网关节点以有线方式与局域网中的服务器通信。网管节点ZBNET-300C-U工作在Real COM模式，此时对于服务器而言，ZBNET-300C-U相当于一个串口设备。

三、上位机监控平台设计

(一)本地监控

本设计中，ZigBee网关节点、服务器、本地监控终端和打印设备构成了组成局域网。局域网中的服务器通过一个后台服务程序主动连接网关节点ZBNET-300C-U获取各监测节点的数据，并将数据上传到MySQL数据库中。

局域网中的本地监控终端通过以太网访问服务器，实现实时查询和接收网关节点传送的信息，当有安全报警事件时，启动声光报警设备并发送短信给管理人员[18-20]。管理员还可以通过本地终端对该系统进行设置，实现撤防布防等操作。

(二)远程监控

通过将服务器接入Internet，可以实现远程监控各个监测节点。

基于B/S结构建立无线传感网Web监控平台，管理人员通过浏览器在远程查询传感器状态，实时了解实验室安全状况。

四、系统应用及测试

绍兴文理学院南山校区综合实验教学大楼现有的安全监控系统主要是在电梯和各楼道口安放摄像头以及在各楼层配置火灾报警器和喷淋装置。

本系统可部署在该实验教学大楼并与现有的安全监控系统相结合。在涉及到有毒或易燃气体的实验室安装气体传感器，在走廊安装烟雾传感器，在各楼梯口安装人体探测器，在对温湿度有特殊要求的房间安装温湿度传感器，从而构成无线传感器网络并接入校园网。一方面扩展了现有监控系统的监测范围，另一方面能够及时主动的提醒值班人员和管理人员。

经过一个月的测试，该系统能够对各种安全测试信号产生反应，及时发出报警信号和报警短信，提醒值班人员和管理人员安全事故的类别和位置，有效的提高了应对安全事故的反应速度。

五、结语

本文设计了一个基于无线传感器网络的实验室安全管理系统方案，可以实现基本但又是最主要最常见的火灾、气体泄露、盗窃等安全监测，并能实时发送报警信息给管理人员。系统结构简洁，使用方便，易于挂接到现有的校园网管理系统，具有较好的实际应用价值。