甄志軍，魯士文

(中國科學院研究生院，北京 100039)

隨著國家對科研的重視和支持，中國的科研條件已經(jīng)有了很大的改善，生物實驗室的現(xiàn)代化水平也在不斷提高，擁有很多昂貴、精密的儀器設(shè)備，因此對實驗室的火、電等安全性能要求很高。另一方面，很多生物樣品和數(shù)據(jù)具有收集周期長、樣品來源稀缺、不易重復等特點，對于樣品的保存和安全穩(wěn)定問題也有很高的要求。但目前對于生物實驗室的設(shè)計多關(guān)注其中化學藥品等的安全性，對于儀器使用和樣品保存等方面的安全性關(guān)注較少，現(xiàn)代化程度不高。因此，研究如何應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和電子產(chǎn)品對生物實驗室的安全性控制進行改進具有重要的現(xiàn)實意義。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，以自組織的方式形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給管理者。無線傳感器把邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、智能家居、軍事應(yīng)用等多個方面[1-3]。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生物實驗室，對傳統(tǒng)的生物實驗方式和實驗室管理進行了改進，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實驗室設(shè)計方案。該方案將生物實驗室根據(jù)功能劃分為辦公區(qū)、實驗區(qū)和溫室三個區(qū)域。針對各區(qū)域的不同特點，通過傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和服務(wù)器的有機結(jié)合，構(gòu)建一個新型、安全和智能的生物實驗室。該方案與傳統(tǒng)生物實驗室工作模式相比，具有工作效率更高、實驗數(shù)據(jù)采集更準確、安全性更高的優(yōu)點；并且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本較低，易與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可操作性更強。目前，針對實驗室環(huán)境尤其是生物實驗室方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究較少，因而本文具有一定的新穎性和探索性，并且該方案比較容易推廣至其他類型的實驗室等應(yīng)用環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，生物實驗室的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三個區(qū)域中的傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、視頻監(jiān)控終端、服務(wù)器和管理終端組成。傳感器節(jié)點分布在各監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，采集各種相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括電壓傳感器、氣體傳感器、光照傳感器等各種類型。各傳感器節(jié)點通過ZigBee協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，能實現(xiàn)兩種不同協(xié)議棧間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，還能對傳送的數(shù)據(jù)進行匯總、數(shù)據(jù)冗余等處理，也能對傳感器節(jié)點發(fā)布監(jiān)測任務(wù)等。匯聚節(jié)點既可以是功能強大的傳感器節(jié)點，也可以是僅有無線通信功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備[3]。在本系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點選用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點接收到來自各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理后，將其通過Internet傳送至服務(wù)器。服務(wù)器對采集的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面，以供管理人員進行管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和協(xié)議

本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)終端的傳感器節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議。ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標準，非常適合低功率、低成本、低速率的應(yīng)用環(huán)境。該網(wǎng)絡(luò)采用的星型拓撲結(jié)構(gòu)支持點對點、點對多點的通信，中心節(jié)點為匯聚節(jié)點，所有數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點；星型拓撲結(jié)構(gòu)適合圓形分散、距離較近的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計和節(jié)點選擇

2.1 辦公區(qū)的功能設(shè)計和節(jié)點選擇

實驗室的辦公區(qū)是工作人員和學生辦公和學習的地方，因此本區(qū)域的防火、防盜、防震是監(jiān)控的重點。當有斷電、火災、地震等意外情況發(fā)生時，各傳感器節(jié)點如電壓傳感器、溫度傳感器、防震傳感器等將采集的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后將其傳送到服務(wù)器；服務(wù)器的報警模塊對該數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理。另一方面，為了使辦公室更安全，辦公區(qū)的電燈、冰箱、微波爐等家用電器也分別安裝上電壓傳感器等自動裝置。為了進一步保證辦公室安全，需要對辦公區(qū)進行實時視頻監(jiān)控，因而該區(qū)域還安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示，攝像頭對監(jiān)控區(qū)域的實時圖像進行采集，并將采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至PNX1500處理器內(nèi)核，處理器通過100 M以太網(wǎng)連接至服務(wù)器，服務(wù)器可對處理器傳送過來的實時圖像進行監(jiān)視、存儲、回放和編輯等處理。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)辦公區(qū)的防火特點，本區(qū)域內(nèi)的溫度傳感器可采用AD公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片ADT7301。本芯片采用+2.7 V～+5.5 V電源供電，工作溫度范圍為：-40℃～+150℃，采用節(jié)省空間的 SOT-23和 MSOP兩種封裝模式，具有溫度轉(zhuǎn)換精度高、功耗低、串行接口靈活方便等特點。

地震傳感器采用成都美幻科技有限公司的德祥1系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可檢測P波和S波，具備預警和報警功能、“救命”呼喊和無線SOS求救功能，報警靈敏度高，誤報警次數(shù)少，內(nèi)置電池容量大，可以在外接電源斷電后持續(xù)工作72小時，內(nèi)置了免維護的可充電電池，可設(shè)定報警烈度，耗電量低。

電壓傳感器選擇LEM公司的Eta電流傳感器，Eta技術(shù)涵蓋了開環(huán)和閉環(huán)兩種原理，集它們的優(yōu)點于一身，可測量交流電和直流電，測量范圍是200 A，且測量范圍可擴展；單端5 V供電，帶寬范圍大，低功率損耗。

2.2 實驗區(qū)的功能設(shè)計和節(jié)點選擇

實驗區(qū)根據(jù)功能可劃分為實驗操作區(qū)和設(shè)備區(qū)。實驗操作區(qū)通常存放有危險、有毒甚至劇毒的化學藥品，生物實驗過程中也會產(chǎn)生有害氣體，因此實驗操作區(qū)的監(jiān)控重點是防毒、防火。設(shè)備區(qū)放置有各種類型的大型實驗儀器設(shè)備，需安裝電壓傳感器來對儀器設(shè)備的電壓進行實時檢測，以保證實驗儀器設(shè)備及實驗樣品的安全性。如果實際電壓值超出預定門限值時，切斷市電輸入，同時啟動UPS。所以，整個實驗區(qū)設(shè)置有氣體傳感器、溫度傳感器、防震傳感器和電壓傳感器。為了進一步保證實驗區(qū)的安全，該區(qū)域還安裝有視頻監(jiān)控終端。

氣體傳感器布置在實驗臺、通風櫥、超凈臺、藥品柜等存放危險化學藥品和易產(chǎn)生有毒氣體設(shè)施的位置，形成星型拓撲結(jié)構(gòu)。該傳感器選用瑞士Membrapor公司的電化學式傳感器，電化學式傳感器利用氧化還原反應(yīng)，通過不同的電解質(zhì)可檢測幾十種有毒氣體，包括CO、SO2、NO、NH3、CL2、HCL 等，測量范圍為 0～1 000 ppm，分辨率為 0.1～4 ppm。

溫度傳感器布置在實驗區(qū)內(nèi)角落位置、電源插口處、易發(fā)生火災的地方，形成星型拓撲結(jié)構(gòu)，同樣可采用AD公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片ADT7301。

設(shè)備區(qū)中通常有許多大型的儀器設(shè)備，價格昂貴。非正常情況下的斷電，對大型儀器設(shè)備的損壞性非常大，有些損失甚至是不可彌補的。如實驗室內(nèi)的超低溫冰箱，可能保存著不可再次獲得的實驗樣品，因此保證大型儀器的正常運行是非常重要的。根據(jù)此特點，需要安裝電壓傳感器，以保證大型儀器的正常運轉(zhuǎn)和使用。電壓傳感器設(shè)置有一個門限值，當電壓出現(xiàn)異常或不穩(wěn)定時，通過門限值的限定，報警模塊及時報警，以保證大型儀器的安全。

根據(jù)設(shè)備區(qū)儀器設(shè)備的具體情況，可選擇LEM公司隔離放大型傳感器的電壓傳感器，該系列傳感器可直接測量電壓，其原邊線圈連接內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)，信號傳送到隔離放大器。

2.3 溫室的功能設(shè)計和節(jié)點選擇

實驗室的第三部分是溫室區(qū)域。該區(qū)域包括灌溉系統(tǒng)，還對土壤CO2的濃度、土壤的溫度、濕度及光照強度等進行監(jiān)測。植物的生長發(fā)育對土壤的濕度、溫度較為敏感，土壤中放置相應(yīng)的傳感器節(jié)點，其將土壤的濕度、溫度等數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，然后服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)進行處理分析[5]。研究人員可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)植物生長規(guī)律、特點，以及物理環(huán)境對農(nóng)作物的影響等，以進行相關(guān)的科學研究工作。

溫度傳感器選擇德國ZMD公司的Tsic系列，其采用ZAC通信協(xié)議，電流低，功耗小，測量范圍為-50℃～+150℃，精度為±0.1℃，采用單總線輸出方式，接口簡單。

光照傳感器采用芬蘭進口的芯片HS2303，光照強度范圍：0～200 000 lx，分辨率 0.1%，響應(yīng)時間 1 s，并可與無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路或RS485網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路相連。

土壤CO2傳感器選用固態(tài)電解質(zhì)CO2傳感器MS4100(低成本、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù))，其對 CO2反應(yīng)非常靈敏，受溫度和濕度影響小，適合農(nóng)業(yè)應(yīng)用；其量程為0～30 000 ppm，跨度為 60～72 mV(0～2 000 ppm)，工作電壓為 5 VDC+0.5%，響應(yīng)時間為 5 s。

3 服務(wù)器的軟件設(shè)計

服務(wù)器放置在服務(wù)器機房，其對采集到數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面以供管理人員進行管理。服務(wù)器主控軟件分為用戶界面模塊、報警模塊、實驗數(shù)據(jù)處理模塊、視頻監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、節(jié)點管理模塊和數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊。如圖3所示，數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊接收來自各匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)以及來自視頻監(jiān)控終端的圖像數(shù)據(jù)。節(jié)點管理模塊主要對節(jié)點的初始化、節(jié)點的加入和退出等進行管理。報警模塊對來自傳感器節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)進行分類、識別和分析，將報警信息輸入用戶界面進行顯示等報警處理。實驗數(shù)據(jù)處理模塊對傳感器節(jié)點傳送來的實驗數(shù)據(jù)進行分類、匯總和分析，并可以應(yīng)用專業(yè)生物分析軟件進行科學研究。視頻監(jiān)控模塊對辦公區(qū)和實驗區(qū)進行視頻監(jiān)控處理，如實時監(jiān)控，視頻圖像質(zhì)量控制和圖像備份等。數(shù)據(jù)庫管理模塊對相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等進行存儲、分析和查詢等管理。用戶界面模塊則給管理人員提供友好的用戶界面。

圖3 服務(wù)器主控軟件架構(gòu)

圖4 報警信息處理流程

圖3中，報警模塊可對電警、火警、毒警等進行報警處理，對于實驗室的安全保障至關(guān)重要。報警模塊對報警信息的處理流程如圖4所示：當有警情發(fā)生時，傳感器節(jié)點將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳送到管理終端，管理人員通過電話、現(xiàn)場派人偵查等手段來核實該警情為實警還是虛警，實警是火警、毒氣泄漏警情、電壓不穩(wěn)或超負荷等報警，虛警則是人為等原因造成報警系統(tǒng)誤報警。如果是實警，則采取如下措施：(1)啟動聲光報警系統(tǒng)，通知現(xiàn)場人員迅速離開警情現(xiàn)場或做好防護措施。(2)打開門禁系統(tǒng)，使現(xiàn)場人員逃生；如發(fā)現(xiàn)警情嚴重擴大，可在人員全部逃出后，關(guān)閉門禁系統(tǒng)，防止災情擴大。(3)打開噴淋系統(tǒng)，滅火或降低毒氣濃度，防止火災蔓延和毒氣濃度過高而引起的爆炸。(4)如為火警或?qū)嶋H電壓超過系統(tǒng)設(shè)置的電壓門限值，則需關(guān)閉電力系統(tǒng)。如果是虛警，則取消報警[4]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，在生物實驗室有著廣泛的應(yīng)用前景。采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計不僅有效改善了傳統(tǒng)生物實驗室的安全管理模式，還能高效地為研究人員提供準確科研數(shù)據(jù)信息，并能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有機地結(jié)合。本文針對一個具體的實驗室環(huán)境，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實驗室設(shè)計方案，用以構(gòu)建一個新型、安全和智能的生物實驗室，并可以推廣至其他類型的實驗室應(yīng)用環(huán)境。

[1]AKYILDIZ I F， SU W， Sankarasubramaniam Y， et al.Wireless sensornetworks:a survery.ComputerNetwork，2004，38:393-422.

[2]David Culler， Deborab Estrin， Mani Strivastava.Overview of Sensor Networks.IEEE Computer Society，2004:41-49.

[3]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]鄭君剛.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能家居報警系統(tǒng)設(shè)計.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2008，24(2):35-38.

[5]李棟，張林，徐保國.無線溫室信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.微計算機信息(嵌入式與 SOC)，2009，25(3-2):38-39，63.