崔 貫 勛

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

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·實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與安全·

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔 貫 勛

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

為了解決高校實(shí)驗(yàn)室在安全管理和監(jiān)控力量不足和措施薄弱問題，更好地為廣大師生提供一個(gè)安全穩(wěn)定的教學(xué)和科研環(huán)境，通過對(duì)10余所高校實(shí)驗(yàn)室安全管理現(xiàn)狀的問卷調(diào)查，介紹了高校實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的實(shí)際需求，在充分分析實(shí)驗(yàn)室普遍存在的安全隱患情況的基礎(chǔ)上，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的技術(shù)原理、實(shí)施方案和要實(shí)現(xiàn)的功能。最后，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。對(duì)改善高校實(shí)驗(yàn)室安全管理具有一定的積極促進(jìn)作用。

物聯(lián)網(wǎng)； 實(shí)驗(yàn)室； 安全管理； 傳感器

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)開展人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)活動(dòng)的必備場(chǎng)所。在初中、高中、高校和科研機(jī)構(gòu)設(shè)置的眾多實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用了種類繁多的化學(xué)藥品、易燃易爆物品和劇毒物品。有的實(shí)驗(yàn)要在高溫、高壓力或者超低溫、真空、強(qiáng)磁、微波、輻射、高電壓和高轉(zhuǎn)速等特殊環(huán)境下或條件下進(jìn)行，有的實(shí)驗(yàn)會(huì)排放有毒物質(zhì)[1]。特別近年來，隨著國家對(duì)初級(jí)教育的普及和高校學(xué)生擴(kuò)招，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大，且實(shí)驗(yàn)室又具有使用頻繁，人員集中且流動(dòng)性大，大量貴重儀器設(shè)備、化學(xué)藥品和重要技術(shù)資料存放在實(shí)驗(yàn)室的特性，這使得高校實(shí)驗(yàn)室的使用、人員流動(dòng)和內(nèi)部的管理都產(chǎn)生出許多新情況、新問題，這使得近年來實(shí)驗(yàn)室常發(fā)生火災(zāi)事故、中毒事故、傷人事故和環(huán)境污染等事故，這無疑給學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)造成了很大的財(cái)產(chǎn)損失，有的甚至造成了人員傷亡[2]。因此怎樣避免實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生，減少學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)驗(yàn)室設(shè)備和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也能保障實(shí)驗(yàn)人員的人身安全，這是全國所有學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)都十分關(guān)注的問題，也是加強(qiáng)學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室安全管理工作迫在眉睫的首要問題。

1 實(shí)驗(yàn)室安全隱患分析

(1) 火災(zāi)隱患?；馂?zāi)性事故的發(fā)生具有普遍性，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室都可能發(fā)生。釀成這類事故的直接原因是：忘記關(guān)電源，致使設(shè)備或用電器具通電時(shí)間過長，溫度過高，引起著火；操作不慎或使用不當(dāng)，使火源接觸易燃物質(zhì)，引起著火；供電線路老化、超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致線路發(fā)熱，引起著火[3]。

(2) 爆炸性隱患。爆炸性事故多發(fā)生在具有易燃易爆物品和壓力容器的實(shí)驗(yàn)室這類事故隱患主要原因是：違反操作規(guī)程，引燃易燃物品，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸；設(shè)備老化，存在故障或缺陷，造成易燃易爆物品泄漏，遇火花而引起爆炸。爆炸性事故多與火災(zāi)性事故相聯(lián)系，尤其是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的多是易燃、易爆的物質(zhì)和混合物，這些物質(zhì)在一定壓力或熱積累作用下容易造成爆炸；另外也可能是設(shè)備老化存在故障，造成易燃易爆物品泄漏，事故。遇火花引起事故[4]。

(3) 毒害性隱患?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的化學(xué)藥品幾乎都有一定的毒性，毒害性事故多發(fā)生在具有化學(xué)藥品和劇毒物質(zhì)的化學(xué)化工和具有毒氣排放的實(shí)驗(yàn)室。釀成這類事故的直接原因是：操作規(guī)程不科學(xué)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)和氣體，引起中毒；設(shè)備設(shè)施老化，存在故障或缺陷，造成有毒物質(zhì)泄漏或有毒氣體排放不出，釀成中毒；管理不善，造成有毒物品散落流失，引起環(huán)境污染；廢水排放管路受阻或失修，造成有毒廢水未經(jīng)處理而流出，引起環(huán)境污染[5]。

(4) 機(jī)電性隱患。機(jī)電傷人性事故多發(fā)生在有高速旋轉(zhuǎn)或沖擊運(yùn)動(dòng)的機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，或要帶電作業(yè)的電氣實(shí)驗(yàn)室和一些有高溫產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室[6]。事故表現(xiàn)和直接原因是：不當(dāng)或缺少防護(hù)，造成擠壓、甩脫和碰撞傷人；違反操作規(guī)程或因設(shè)備設(shè)施老化而存在故障和缺陷，造成漏電觸電和電弧火花傷人。

(5) 失竊性隱患。失竊性隱患多由于實(shí)驗(yàn)室的門窗防盜性能不好或者相關(guān)人員的責(zé)任心不到位造成的，比如窗戶沒有防盜網(wǎng)，門或者鎖的質(zhì)量太差，有時(shí)上課期間把窗戶打開便于通風(fēng)而下班后又沒有認(rèn)真檢查門窗是否關(guān)閉完好，有時(shí)下課了但沒有及時(shí)關(guān)閉門窗等都存在一定的失竊性隱患[7]。

2 實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)原理及實(shí)施

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)由濕度煙霧監(jiān)測(cè)、人體紅外、有毒有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)(電化學(xué))、機(jī)電(電流、電壓)監(jiān)控、壓力監(jiān)控傳感器、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置、聲光報(bào)警裝置、監(jiān)控軟件系統(tǒng)、客戶端電腦和智能手機(jī)應(yīng)用終端構(gòu)成，如圖1所示。

傳感器用于采集實(shí)驗(yàn)室化學(xué)藥品存儲(chǔ)監(jiān)控信號(hào)和實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)儀器設(shè)備、火災(zāi)以及危害人身健康異常狀態(tài)信號(hào)。溫度傳感器主要用于實(shí)驗(yàn)室低溫存儲(chǔ)化學(xué)藥品的存儲(chǔ)監(jiān)控，如冰箱溫度監(jiān)控等；溫度傳感器和煙霧傳感器同時(shí)也安裝實(shí)驗(yàn)室頂部，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室火情火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。壓力傳感器主要用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存儲(chǔ)的有毒、易燃?xì)怏w(氯氣、氧氣等)壓力容器壓力的監(jiān)控，確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壓力容器不泄漏。電流/電壓傳感器將高電壓轉(zhuǎn)換成一定值的低電壓以供測(cè)量等使用，①可以防止電流或電壓過大損壞儀器設(shè)備；②可以大幅降低實(shí)驗(yàn)人員觸電的危險(xiǎn)。電化學(xué)傳感器主要是對(duì)有毒有害化學(xué)物質(zhì)、易燃、易爆物質(zhì)的監(jiān)控。如：氧氣、氨氣、氯氣、氫氣、一氧化碳、環(huán)氧乙烷、氯化氫、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、氯乙烯等[9]。

2.2 實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其由輸入接口單元、中央處理單元、預(yù)警報(bào)警單元、控制單元和輸出接口單元構(gòu)成，如圖2所示。

(1)輸入接口單元主要是接收傳感器的輸入信號(hào)，對(duì)于開關(guān)輸入可直接輸入接口單元與中央處理單元聯(lián)接；對(duì)于模擬量輸入接口單元將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息再傳輸給中央處理單元。

(2)中央處理單元用于接收輸入接口單元的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行邏輯運(yùn)行和邏輯判斷。當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，中央處理單元將報(bào)警信息發(fā)送給預(yù)警報(bào)警單元，同時(shí)也將報(bào)警信息控制單元，用于啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)或切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)供電電源[10]。

(3)預(yù)警報(bào)警單元接收中央處理器發(fā)送的預(yù)警或報(bào)警信息，立刻發(fā)出聲光報(bào)警提示，以提醒實(shí)驗(yàn)人員立刻撤離實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

(4)反饋控制單元是根據(jù)中央處理單元的邏輯判斷的結(jié)果作為輸入信號(hào)，當(dāng)邏輯判斷結(jié)果超過預(yù)設(shè)的限值時(shí)，其結(jié)果信號(hào)將控制信號(hào)反饋去驅(qū)動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)和切斷供電電源[11]。

(5)輸出接口單元主要接收中央處理單元發(fā)送的狀態(tài)和報(bào)警信息，并通過輸出接口單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展(如將狀態(tài)和報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器)。

2.3 系統(tǒng)工作原理及流程

將系統(tǒng)中的傳感器安裝合適的監(jiān)測(cè)位置(如化學(xué)試劑存儲(chǔ)冷貯柜中安裝濕度傳感器；實(shí)驗(yàn)室頂部安裝煙霧和溫度傳感器；四周墻上安裝監(jiān)測(cè)有毒有害氣體的電化學(xué)傳感器；實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源輸入端安裝電流、電壓傳感；壓力容器上安裝壓力傳感器)，并將傳感器與實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置的I/O單元聯(lián)接，I/O單元對(duì)輸入模擬量進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，將將轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)字信息發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置的處理單元，處理單元讀取傳感器信號(hào)值并與預(yù)先設(shè)置的報(bào)警或預(yù)警值進(jìn)行比較，當(dāng)傳感器輸入信號(hào)超過預(yù)先設(shè)定的報(bào)警或預(yù)警值時(shí)，向聲光報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信息，聲光報(bào)警裝置驅(qū)動(dòng)繼電器發(fā)出聲光報(bào)警信息，提醒實(shí)驗(yàn)室人員快速撤離實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)利用反饋原理通過I/O單元控制排風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)或斷開電源以保證實(shí)驗(yàn)的安全[12]。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置也通過網(wǎng)絡(luò)接口將傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)值和報(bào)警信息通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中，市教委、高校實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中心、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理人員可利用客戶端電腦對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且還可以利用移動(dòng)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全監(jiān)控系統(tǒng)功能

“實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)”由安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控硬件系統(tǒng)和部署在高校實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中心的監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)硬件的監(jiān)控系統(tǒng)由各個(gè)組件及組件運(yùn)行的嵌入式軟件組成；監(jiān)控軟件系統(tǒng)由基礎(chǔ)信息管理、組件配置管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、預(yù)警報(bào)警管理、數(shù)據(jù)通訊協(xié)議管理、統(tǒng)計(jì)查詢管理及用戶權(quán)限管理模塊等組成，如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

“實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)”是由物聯(lián)網(wǎng)、電化學(xué)分析、通訊、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)技術(shù)和智能手機(jī)開發(fā)技術(shù)組成的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1) 實(shí)驗(yàn)室安全管理模式。傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室安全管理通常由安全管理制度和人工監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，這種管理模式往往加重了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理人員的工作量，增加了工作難度，而且由于教學(xué)與管理人員的特殊原因(如疏忽大意、生病感冒等)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)管的遺漏，可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。而采用本系統(tǒng)采用全天候24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控及實(shí)驗(yàn)異常情況的報(bào)警和預(yù)警，使實(shí)驗(yàn)室安全管理提升到一個(gè)全新的管理模式[13]。

(2) 實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控技術(shù)。目前全國高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控技術(shù)屬于空白，全國幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室安全并無監(jiān)控設(shè)施，因此對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)、機(jī)電安全隱患監(jiān)控，無疑實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控技術(shù)的創(chuàng)新。

(3) 電化學(xué)分析技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新。電化學(xué)分析法是應(yīng)用電化學(xué)原理和技術(shù)，利用化學(xué)電池內(nèi)被分析溶液的組成及含量與其電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系而建立起來的一類分析方法。許多電化學(xué)分析法既可定性，又可定量；既能分析有機(jī)物，又能分析無機(jī)物，并且具有靈敏度高，選擇性好的特點(diǎn)，將電化學(xué)分析技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室安全實(shí)時(shí)監(jiān)控也是本系統(tǒng)的創(chuàng)新思路之一。

(4) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新。由于高校實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控點(diǎn)均可通過客戶端電腦和移動(dòng)智能手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了終端電腦、平板或智能手機(jī)與實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互和控制(物體與物體聯(lián)接)，系統(tǒng)是一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[14]。

(5) 智能手機(jī)開發(fā)技術(shù)。智能手機(jī)的操作通常是安卓操作或蘋果操作系統(tǒng)兩大類，本系統(tǒng)能通過智能實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)(只需要有無線3G網(wǎng)絡(luò))均可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)上述功能是智能手機(jī)開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新。

(6) 監(jiān)控類型及監(jiān)控點(diǎn)擴(kuò)展。由于高校實(shí)驗(yàn)室的類型或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目不同，各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安全監(jiān)控對(duì)象可能存在差異。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的輸入模擬技術(shù)，只滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的傳感器均能接入監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同安全監(jiān)控類型及監(jiān)控點(diǎn)的擴(kuò)展，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)積木式可重組的具有高擴(kuò)展性監(jiān)控系統(tǒng)，這也是本系統(tǒng)核心技術(shù)之一[15]。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次信息技術(shù)變革，也是基于互聯(lián)網(wǎng)方向的深層次應(yīng)用拓展。本系統(tǒng)通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控，采用了多種目前較新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和與安全監(jiān)控相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)，充分利用學(xué)校及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源降低構(gòu)建成本，可有效地實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的防火、防爆、防毒、防盜等全天候和智能化實(shí)時(shí)安全報(bào)警和多媒體監(jiān)控功能。由于其具有功能齊全、配置靈活、結(jié)構(gòu)新穎、成本低、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)，不僅可以用于實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控，還可用于倉庫管理、油氣加工、炸藥的生產(chǎn)與存儲(chǔ)等需要重點(diǎn)確保安全的地方。

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Design of Laboratory Safety Management System Based on the Internet of Things

CUIGuan-xun

(School of Computer Science & Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054, China)

In order to solve problems in measures and strength to laboratory safety management, and provide a safe environment for teachers and students in teaching and researching, the paper describes the current situation and demands to laboratory safety management for universities. General security risks are analyzed. Based on this study, the technical principles, embodiment and function of system in laboratory safety management are designed based on the Internet of Things. At the end of this paper, the innovation and applications of system in laboratory safety management based on the Internet of Things are elaborated.

the Internet of Things; laboratories; safety management; sensor

2014-05-25

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(1203055)；重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(yjg123023；Yjg133080)；重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2012005；2013YB19)；重慶理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(yjg2012101)；重慶理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)基金項(xiàng)目(SK201309)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)室副主任，主要從事實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

Tel.：13271948663，E-mail：cgx@cqut.edu.cn

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1006-7167(2015)03-0287-04