張海江

一、實驗室安全管理現(xiàn)狀

隨著國家對各行各業(yè)安全生產(chǎn)的要求不斷提高，教育主管部門及學校對實驗室安全管理重視程度不斷提升，推動了高校實驗室安全管理水平穩(wěn)步提高。但我國藝術(shù)學科實驗室建設(shè)仍處于初期階段，高校在建立藝術(shù)類實驗室的過程中難免缺乏經(jīng)驗，加上專業(yè)實驗教師的缺少，在實際建設(shè)運行中大多照搬其他傳統(tǒng)學科實驗室的建設(shè)方法與管理措施，造成實驗室安全管理建設(shè)與設(shè)藝術(shù)設(shè)計的專業(yè)實驗需要上存在一定的不適應(yīng)性，而部分實驗室安全監(jiān)管相對缺位，造成實驗室安全隱患時有發(fā)生。

（一）藝術(shù)學科下專業(yè)實驗室分類龐雜

藝術(shù)類實驗室是高校培養(yǎng)設(shè)計創(chuàng)新、藝術(shù)研究型人才的重要場所。由實驗教學的專業(yè)特點側(cè)重不同組件了分類龐雜的專業(yè)實驗室和工作室，如產(chǎn)品模型、3D打印、木工、環(huán)境設(shè)計、服裝縫制、扎染、蠟染、絲網(wǎng)印刷、漆工藝、玻璃工藝、金屬工藝、泥塑、動畫藝術(shù)、攝影暗房、版畫、雕塑、國畫等各種專業(yè)或公共實驗室，其多樣性與復雜性使得藝術(shù)類實驗室在管理和建設(shè)方面存在與傳統(tǒng)實驗室有較大差異。隨著學校辦學規(guī)模的擴大、實驗室設(shè)備資金投入的增加，導致實驗室人員設(shè)備安全管理壓力成倍增長。

（二）實驗室的部分設(shè)施環(huán)境存在老化問題

部分用電線路陳舊、老化且布線不規(guī)范影響用電安全;水管、采暖管道存在誘蝕破裂漏水等情況，實驗室安全隱患風險點不斷增加。

（三）學生的安全意識有待加強

藝術(shù)學科實驗室建設(shè)雖在安全警示方面已逐步完善，實驗室操作規(guī)程張貼在墻上，但學生的安全意識相對淡薄，對于設(shè)備的使用流程、安全規(guī)范、最大運轉(zhuǎn)時長等要求不重視，誤操作現(xiàn)象時有發(fā)生，實驗廢棄物雖不涉及易爆、有毒等危險品，但隨意丟棄堆放現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是紙張、木屑、亞克力角料等易燃廢物如清理不及時極易存在安全隱患。

因此，解決藝術(shù)類實驗室的安全監(jiān)測問題已經(jīng)迫在眉睫，在逐步完善規(guī)章制度，加強對師生安全教育的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代智能傳感器技術(shù)加強實驗室安全監(jiān)測，將是提升實驗室安全管理，保障實驗室工作的正常運行的一條有效途徑，對促進實驗室安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

二、傳感器技術(shù)概況

（一）傳感器技術(shù)

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。隨著傳感器監(jiān)測精度的不斷提高，傳感器以其微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等特性廣泛應(yīng)用于自動檢測和自動控制等多個領(lǐng)域。目前，傳感器根據(jù)其感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、色敏元件和味敏元件等多種類別。在專業(yè)安監(jiān)領(lǐng)域熱敏、氣敏、濕敏等傳感器得到了廣泛應(yīng)用。

（二）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接.利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可有效解決實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)建立的網(wǎng)絡(luò)連接問題，減少因不同校區(qū)、樓宇間實驗室監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)造成的強弱電布線投入，并且網(wǎng)絡(luò)擴展拓撲方便快捷。

三、系統(tǒng)功能設(shè)計

實驗室安全監(jiān)測系統(tǒng)分為三個主要部分：實驗室環(huán)境安全狀態(tài)感知模塊;傳感器信息傳輸處理模塊;安全預(yù)警信息反饋等模塊組成。

（1）環(huán)境安全狀態(tài)感知模塊主要針對每個實驗室工作室的具體環(huán)境狀況和安全隱患易發(fā)因素安裝具有相關(guān)感知功能的傳感器，來識別初期隱患并預(yù)警。如采暖水管、自來水管易跑冒滴漏的位置安裝水滴傳感器檢測漏水情況;針對容易產(chǎn)生易燃廢料的實驗室加裝熱敏和煙霧傳感器，檢測初期火災(zāi)隱患;針對各實驗室設(shè)備用電線路安裝交流電流感應(yīng)器檢測實驗設(shè)備用電異常情況等。

（2）傳感器信息傳輸處理模塊主要實現(xiàn)各工作室實驗室傳感器節(jié)點實時采集到的信息進行收集和比對，對超出安全閥值的節(jié)點數(shù)據(jù)進行篩選跟蹤，若同一實驗室節(jié)點連續(xù)出現(xiàn)預(yù)警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將預(yù)警信息傳輸給信息反饋模塊進一步完成操作。此模塊涉及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。

（3）安全預(yù)警信息反饋模塊，此模塊主要功能是針對后臺的預(yù)警信息將通過手機APP和安全監(jiān)測網(wǎng)站平臺發(fā)布給相關(guān)的實驗室管理人員，并通過聲光等預(yù)警信號在所在實驗室發(fā)出預(yù)警。

四、系統(tǒng)搭建

（一）硬件系統(tǒng)搭建

根據(jù)實驗中心各個實驗室安全監(jiān)測管理的功能需求，現(xiàn)有環(huán)境狀況的施工復雜度等問題，確定實驗室智能安全監(jiān)測管理系統(tǒng)的硬件選擇應(yīng)主要考慮硬件功耗、電路簡單、易于實現(xiàn)、操作簡便等特點的設(shè)備。系統(tǒng)應(yīng)具備安全、高效、穩(wěn)定等特性。由此根據(jù)當前物聯(lián)網(wǎng)主流應(yīng)用確定傳感器信息采集模塊選擇Arduino控制器收集各個傳感器節(jié)點的實時采集信息，數(shù)據(jù)由Arduino控制器通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端，由服務(wù)器完成信息的比對和篩選，完成正常環(huán)境狀態(tài)信息的過濾，來發(fā)現(xiàn)異常狀況。

傳感器信息傳輸處理模塊中ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為整套系統(tǒng)重要組成部分，在設(shè)備選型中，選擇比較成熟穩(wěn)定的聯(lián)網(wǎng)芯片CC2530等芯片，其自身都已經(jīng)集成了80C51系列控制芯片，對于傳感節(jié)點少且簡單的環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的實施，不需要外加處理控制器就能完成這部分工作。針對實驗室開放安全監(jiān)測系統(tǒng)中，終端涉及多環(huán)境狀況采集、設(shè)備用電檢測等多方面的功能實現(xiàn)，就需要增加無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和控制接口數(shù)量，可用集成到Arduino控制器，協(xié)調(diào)實驗室中多傳感器的信息，完成數(shù)據(jù)采集的初步環(huán)節(jié)，如圖1。

安全預(yù)警信息反饋模塊，系統(tǒng)在傳感器檢測到實驗室環(huán)境設(shè)施存在超安全閾值范圍狀況時，通過移動端APP或安全監(jiān)測網(wǎng)站平臺向?qū)嶒炇夜芾砣藛T發(fā)送預(yù)警提示信息，第一時間告知實驗室管理人員和實驗操作員，關(guān)注異常信息源，及時采取應(yīng)急處置措施。同時，系統(tǒng)當?shù)玫桨踩芾韱T的信息確認時，系統(tǒng)可直接啟動該實驗室的警示程序，現(xiàn)場人員可及時規(guī)避突發(fā)安全隱患。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計

實驗室智能安全監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件設(shè)計是硬件系統(tǒng)運行的中樞和靈魂，是實現(xiàn)zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Arduino控制器和PC智能網(wǎng)關(guān)通信協(xié)作的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)實驗室環(huán)境安全監(jiān)測的保障。

（1）用戶接口部分：用戶通過賬號和密碼登陸個人界面，來檢索相關(guān)實驗室的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)比對情況可對實驗室安全狀況有一個明確的了解。

教師模塊：即各實驗室相關(guān)工作人員通過教工號和密碼登陸進入教師模塊，可以查看自己的個人信息和更改密碼;可以查看自己所管理實驗室的各種環(huán)境狀況，可對某段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進行檢索，系統(tǒng)形成變化趨勢曲線，供用戶進行模擬分析。

管理員模塊：通過管理員帳號和密碼進入后臺管理模塊，可以查看自己的個人信息和修改密碼，對實驗室各類傳感器采集數(shù)據(jù)的比對參考閾值進行修正，增刪用戶及調(diào)整用戶權(quán)限等。

（2）數(shù)據(jù)庫部分實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收、分類、存儲和比對并輸出結(jié)果。主要由閾值表、溫濕度表、氣體監(jiān)測表、煙霧火焰監(jiān)測表、電流監(jiān)測表等多個基礎(chǔ)信息表來實現(xiàn)采集信息的加工處理并將結(jié)果傳輸給安全預(yù)警信息反饋模塊。

（3）智能網(wǎng)關(guān)部分實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸和預(yù)警信息反饋的功能。利用微軟的MSComm控件進行串口程序開發(fā)。通信控件MSC0MM在標準串口通信方面具有強大功能。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進行設(shè)置。數(shù)據(jù)在串口發(fā)送或接收過程中觸發(fā)OnComm事件，通過程序訪問CommEvent屬性讀取通信事件的類型，進行相應(yīng)的處理。一個MSComm控件對應(yīng)一個串口，多個通信口可以由多個通信控件來訪問。當PC端發(fā)送一個命令包后，即開始監(jiān)視串口，并等待Arduino控制器通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各實驗室節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，PC端將接收到的數(shù)據(jù)寫人對應(yīng)的信息表中做進一步加工處理。

（4）實驗室環(huán)境安全狀態(tài)感知部分，通過Arduino提供的多個數(shù)字端口和模擬端口連接各類環(huán)境監(jiān)測傳感器。根據(jù)傳感器采集信息輸出的信號類型對其進行分類，將其分別與Aduino控制器對應(yīng)的數(shù)字端口或模擬端口進行連接，通過ArduinoIDE調(diào)試各個傳感器數(shù)據(jù)采集程序。如圖2水滴傳感器監(jiān)測水管漏水情況程序流程圖。

以上各個模塊通過一系列的數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、比對來完成系統(tǒng)軟件的信息采集、識別、預(yù)警功能，達到實驗室安全監(jiān)測預(yù)警的目的。

五、結(jié)語

隨著高校智慧校園建設(shè)步伐的加快，以開放型實驗室智能安全監(jiān)測為出發(fā)點的智能安全管理將是一個很好的智慧實驗室建設(shè)切入點，該智能安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合了傳感器技術(shù)、Arduino控制技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計技術(shù)、Web服務(wù)程序設(shè)計等技術(shù)，是將系統(tǒng)軟硬件通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個紐帶緊密結(jié)合在一起應(yīng)用到實驗室安全管理的一個完整系統(tǒng)。

參考文獻

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