曹 佳， 嚴培輝， 劉江華， 江金光

(1. 武漢大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)示范中心，武漢 430071；2. 武漢大學(xué) a. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心；b. 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079)

0 引 言

隨著社會和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)、健康類的課題成為人類科學(xué)研究熱點。近年來，各高校在生物、醫(yī)學(xué)等研究與教學(xué)方面的投入迅速提高，生物醫(yī)學(xué)類實驗室平臺建設(shè)成為了學(xué)科評估的關(guān)鍵要素，更是展現(xiàn)一個學(xué)校生物醫(yī)學(xué)研究能力強弱的關(guān)鍵。實驗平臺的硬件平臺建設(shè)、安全管理已經(jīng)成為決定高校及科研院所科研能力的重要因素。在實驗平臺上如何對危險試劑、重大儀器設(shè)備、實驗人員安全管理培訓(xùn)以及實驗室環(huán)境綜合因素等進行實時安全管理工作是實驗平臺高效、安全運行所面臨的迫切且十分重要的任務(wù)。

生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺的管理需做到分類管理、實時監(jiān)控、預(yù)防為主。相關(guān)安全管理系統(tǒng)的研究應(yīng)系統(tǒng)分析實驗平臺各關(guān)鍵因素的構(gòu)成及所存在的各種隱患，做到預(yù)防為主、實時監(jiān)控、分類管理及處理，而不是事后對安全事故進行控制及處理，將可能的一切危險因素防范于未然狀態(tài)[1-3]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，將先進、便利、把控性好的物聯(lián)網(wǎng)傳感及傳輸技術(shù)引入生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺，構(gòu)建一個安全、高效、實時掌控的實驗平臺管理系統(tǒng)[4]。本文主要探究開放式生物醫(yī)學(xué)實驗平臺的安全管理要素、基于物聯(lián)網(wǎng)智能傳感及通信傳輸技術(shù)策略和開放平臺的安全、高效運行及管理實現(xiàn)。

1 生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺安全要素分類及分析

1.1 危險生化用品

生物醫(yī)學(xué)類實驗室中試劑用品種類繁多，其中包括有常規(guī)的化學(xué)試劑、生物制劑、醫(yī)用藥品，也包括各種危險化學(xué)品，如有毒有害的化學(xué)試劑、生物制劑及放射性同位素等。如果這些有毒、易燃易爆危險試劑及有生物危害的生物制品缺乏安全有效的實時監(jiān)管和防護措施將會對實驗室及相關(guān)人員身體健康造成直接或潛在危害。有毒試劑若發(fā)生泄漏和流失，將會對外界社會造成巨大危害[5]。因此，對與生物醫(yī)學(xué)類實驗室中?；贰⑸镏破返冗M行有效監(jiān)管十分重要。

1.2 重大儀器設(shè)備

高校開展教學(xué)和科研工作需要必要的儀器設(shè)備。近年來由于國家對科研工作的重視，各高校加大了對實驗室的建設(shè)，在各類實驗室添置了大量基礎(chǔ)實驗設(shè)備和大型儀器設(shè)備，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才、推動學(xué)科建設(shè)提供了堅實的硬件基礎(chǔ)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院的開放性生物醫(yī)學(xué)實驗平臺中既有許多常規(guī)的小型儀器如離心機、電泳儀、PCR儀、顯微鏡、層析儀等，同時也有一些大型精密儀器如超速離心機、高效液相色譜、流式細胞儀、熒光共聚焦顯微鏡、熒光分光光度計、多功能酶標儀、qPCR儀、多色熒光成像儀等。其中部分價格高昂的實驗設(shè)備的使用都需要進行培訓(xùn)，如果操作不當容易引起損壞，可能造成高昂的維修費用，甚至引發(fā)安全事故。同時，某些大功率設(shè)備在使用時若發(fā)生故障，經(jīng)常會引起電力事故，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。因此建立高效的實時監(jiān)控管理系統(tǒng)，才能使開放平臺安全有效運轉(zhuǎn)。

1.3 實驗人員管理

保障實驗室里人員安全是實驗室管理的最重要環(huán)節(jié)。實驗平臺管理人員和實驗人員要對實驗室的各種危險因素應(yīng)充分了解，相應(yīng)實驗設(shè)備操作人員也應(yīng)對相關(guān)貴重儀器設(shè)備的操作規(guī)程充分熟悉，只有在完成安全培訓(xùn)，熟悉了各種儀器設(shè)備的規(guī)范操作流程后，才能在實驗室學(xué)習(xí)和工作時有意識地遵守各種規(guī)則，避免由于人為因素造成危害和儀器設(shè)備損壞。

1.4 實驗室環(huán)境綜合因素

生物醫(yī)學(xué)類實驗室由于試劑種類繁多、性質(zhì)差異大，存放所需的的環(huán)境要求各異，需要進行分類安全存放和環(huán)境監(jiān)測。另外，在實驗過程中容易產(chǎn)生大量的廢液、廢氣等有毒有害物質(zhì)以及微生物或放射性污染物。只有對實驗室的溫度、濕度、空氣中甲醛濃度、CO和CO2氣體濃度進行有效監(jiān)測及控制，關(guān)注實驗室污染物的處理，才能保障實驗室環(huán)境及實驗工作人員的健康及安全。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生物實驗平臺安全管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是應(yīng)用智能傳感、定位系統(tǒng)、通信傳輸技術(shù)并按照一定的協(xié)議通過互聯(lián)網(wǎng)將研究物體聯(lián)系起來，對物體進行智能化通信、傳輸及監(jiān)控的一體化管理技術(shù)[6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)在最近幾年的迅速發(fā)展，其應(yīng)用于實驗室的安全管理已經(jīng)成為了一種趨勢[7-8]。將此技術(shù)應(yīng)用于開放式生物醫(yī)學(xué)類開放實驗平臺的管理及運行，將大大提高該開放應(yīng)用平臺的運行效率。

2.1 生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺系統(tǒng)安全管理要求

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生物實驗平臺安全管理的核心是：實驗平臺管理者能應(yīng)用管理系統(tǒng)準確高效地管理。①實驗平臺中的關(guān)鍵及危險的、有毒有害試劑的數(shù)量、剩余量及存放狀態(tài)。②各類精密度高、價值昂貴的儀器設(shè)備的日常維護，安全操作與正確使用。③對進出實驗室的人員信息實時掌控。④實驗室環(huán)境各關(guān)鍵要素情況實時掌握及異常情況報警處理。

2.2 生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺信息數(shù)據(jù)庫建立和管理

信息數(shù)據(jù)庫是生物醫(yī)學(xué)實驗平臺安全管理的基石，高效、完善的數(shù)據(jù)庫建立是管理實驗平臺的基本要求，其中的主要內(nèi)容包括：

(1) 各種試劑的信息管理及分類劃分。需要收集完整的各類試劑用品信息，根據(jù)試劑藥品性質(zhì)進行分類存放和貯藏，將危險類、有毒有害的、易揮發(fā)的試劑藥品貼上RFID(射頻識別)標簽，通過讀卡器將各種貼有RFID標簽的試劑信息讀入管理系統(tǒng)，當試劑存放位置發(fā)生改變時，RFID進行實時傳感，并將其信號通過無線通信模塊自動傳輸?shù)绞謾CAPP系統(tǒng)終端顯示，從而進行實時監(jiān)控管理。

(2) 各種儀器設(shè)備信息管理。開放的生物醫(yī)學(xué)實驗平臺中的各種儀器設(shè)備的名稱、數(shù)量、生產(chǎn)廠家、用途、基本性能參數(shù)、維護人員電話、管理人員聯(lián)系方式等信息都要進行完整收集錄入到管理系統(tǒng)?？稍诿颗_設(shè)備貼上RFID標簽，并在實驗室進門處安裝非接觸式設(shè)備讀取裝置。如果有人將貼有RFID標簽的設(shè)備帶出實驗室時，非接觸式設(shè)備讀取裝置會感知并通過實驗管理系統(tǒng)啟動安全報警，同時向值守人員和管理人員手機APP發(fā)送提示，并啟動視頻監(jiān)控設(shè)備進行實時視頻采集。

(3) 實驗人員信息管理。對于進入實驗平臺學(xué)習(xí)和工作的各類實驗人員，對其個人信息進行采集和收集分類，且對他們進行必要的安全培訓(xùn)和儀器設(shè)備操作培訓(xùn)，收集其實驗內(nèi)容和需要使用到的試劑、儀器設(shè)備信息。對于精密大型儀器，實驗人員只有通過授權(quán)才能使用，防止沒有進行培訓(xùn)的人員隨意使用造成儀器損壞。根據(jù)實驗內(nèi)容，管理系統(tǒng)可以提示管理人員督促實驗人員完成實驗廢棄物后期處理。

(4) 日常實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)采集及傳輸。在生物醫(yī)學(xué)實驗室中需要重點設(shè)置不同種類的傳感器，對實驗室中的溫度、濕度、空氣中CO、CO2、甲醛濃度、煙霧、PM2.5等數(shù)據(jù)進行實時傳感采集，采集到的數(shù)據(jù)利用ZigBee技術(shù)傳輸[9-10]到計算機系統(tǒng)進行處理與安全指標數(shù)據(jù)進行比對、辨識，當某一指標數(shù)超出安全范圍時，可通過計算機系統(tǒng)發(fā)出警報，迅速安全報警。

通過對上述生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺中各安全要素進行研究及分析，得到如圖1所示的安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)方案。

在實驗平臺安全管理系統(tǒng)中的各監(jiān)控裝置上安裝無線通信的通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)設(shè)備，可隨時監(jiān)控收集和管理各關(guān)鍵要素。利用手機和APP應(yīng)用軟件實時監(jiān)控及掌握，改變了傳統(tǒng)的必須人員到現(xiàn)場才能管理和監(jiān)控的模式，提高了可靠性和響應(yīng)速度[11-12]。其中的重要功能還包括遠程集中控制、中心控制及本地運行，統(tǒng)一設(shè)置和臨時控制，GPS電子地圖、擴展圖像監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理儲存、重構(gòu)功能，確保實驗室安全管理功能的實現(xiàn)。

此類電路硬件控制系統(tǒng)可采用單片機控制及管理，各部分功能電路可采用模塊化電路實現(xiàn)，易于實現(xiàn)且方便快捷。軟件部分主要有兩大模塊，一部分為控制各模塊化電路工作的單片機應(yīng)用軟件，可采用C語言實現(xiàn)，軟件控制流程如圖2所示，其中圖2(a)是主函數(shù)程序流程圖，圖2(b)是儀器設(shè)備位置變更中斷程序流程圖,該部分在主程序中主要用來實現(xiàn)儀器設(shè)備位置變更檢測，圖2(c)是試劑位置信息管理中斷程序流程圖，該部分在主程序中主要用來實現(xiàn)試劑位置信息管理；另一部分則為手機APP應(yīng)用軟件、通信接口及軟件開發(fā)，可采用JAVA語言實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

(a) 主函數(shù)程序流程圖(b) 試劑位置信息管理中斷程序流程圖(c) 儀器設(shè)備位置變更中斷程序流程圖

圖2 軟件控制流程圖

2.3 單片機部分子程序

部分主程序：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "usart3.h"

#include "SHT10.h"

#include "mq9.h"

#include "mg811.h"

#include "ka01ch2o.h"

#include "mq2.h"

#include "pm25.h"

int main(void)

{

u8 t;

u8 len;

float temp,humi;

delay_init();

NVIC_Configuration();

uart_init(9600);

USART3_Init(72,9600);

LED_Init();

SHT10_GPIO_Init();

MQ9_Init();

MQ2_Init();

MG811_Init();

KA01_CH2O_Init();

PM25_Init();

while(1)

{

humi=s_measure(HUMI);

temp=s_measure(TEMP);

calc_sth11(&humi,&temp);

Measure_CO();

Measure_CO2();

Measure_JQ();

Measure_YW();

Measure_PM25();

if(USART_STA&0x8000)

{

len=USART_STA&0x3fff;

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

USART_STA=0;

}

}

}

儀器設(shè)備位置變更中斷程序：

void EXTI9_5_IRQHandler(void)

{

if(Reagent_position_change==1)

{

Save_Inf();

for(t=0;t

{

USART2->DR=USART_BUF[t];

while((USART2->SR&0X40)==0);

}

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);

}

試劑信息管理中斷程序：

void EXTI0_IRQHandler(void)

{

if(EQU_OUT==1)

{

START_UP_ALARM();

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

START_UP_VIDEO();

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

}

3 生物醫(yī)學(xué)類實驗室安全管理展望

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)[13]構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺安全管理系統(tǒng)已成為必然趨勢，越來越受到各高等院?？蒲性核闹匾?，建立實驗室危險試劑數(shù)據(jù)庫、實驗室重大精密儀器數(shù)據(jù)庫、實驗室環(huán)境關(guān)鍵要素指標數(shù)據(jù)庫，利用GPRS無線技術(shù)[14-16]、RFID、環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵要素傳感技術(shù)來高效率實時安全管理生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺，使管理者能方便、快捷掌握實驗室動態(tài)信息，加強實驗平臺安全管理，提高工作效率，同時也能降低管理成本，保障高校和科研單位教學(xué)與科研的正常進行。

4 結(jié) 語

隨著實驗室安全工作宣傳的進一步深化，安全意識在每一位管理者和實驗人員心中得到增強，大家都希望改進原有的管理方式，使實驗室在安全高效的基礎(chǔ)上其開放程度大大加強。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感及通信傳輸技術(shù)建立的實驗平臺安全管理系統(tǒng)管理實驗室平臺，可以保證生物醫(yī)學(xué)類實驗平臺的安全建設(shè)工作得到有力推進，管理效率和開放程度得到提高，保證教學(xué)科研工作順利進行。