金開軍 尚厚玉

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，實驗室開放管理逐漸轉(zhuǎn)向智能管理模式。本文以實驗室的安全監(jiān)控為研究對象，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要利用傳感器的終端節(jié)點進行實驗室的安全檢測，利用終端節(jié)點控制實驗室的通風、消防水閥等安全設(shè)備，同時通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，后臺服務(wù)器和移動客戶端等設(shè)備，分析總結(jié)實驗室安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)通信，從達到實驗室安全監(jiān)控的目的，保障實驗室的安全運行。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 實驗安全 監(jiān)控系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架

實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、無線節(jié)點、后臺服務(wù)器、移動客戶端四個部分組成。后臺服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心，主要負責監(jiān)控和通信的數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)的監(jiān)控順利進行。即有效收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，顯示和傳輸數(shù)據(jù)。無線節(jié)點主要負責安全數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)關(guān)是實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的一種網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，完成后臺服務(wù)器與無線節(jié)點的高效連接。移動客戶端的功能是接收實驗室安全監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并通過后臺服務(wù)器遠程監(jiān)控實驗室和操作實驗室接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

2實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的模塊設(shè)計

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由電源模塊、無線模塊、控制模塊構(gòu)成。其中無線模塊主要負責數(shù)據(jù)的采集和傳輸。電源模塊和控制模塊為無線模塊的工作提供條件?？刂颇K采用msp430f4250微處理芯片，實現(xiàn)安全監(jiān)控數(shù)據(jù)的標準采集和整合在分析處理數(shù)據(jù)后返回無線模塊，用戶可以通過控制模塊設(shè)置標準數(shù)據(jù)交互。有效提取由無線模塊處理的安全數(shù)據(jù)。但如果用戶未在無線模塊中預先設(shè)置工作標準，則系統(tǒng)默認為大規(guī)模數(shù)據(jù)采集標準。電源模塊為控制模塊和無線模塊提供24V電源。為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)與用戶的有線網(wǎng)絡(luò)有機連接，降低系統(tǒng)中無線通信的誤碼率，電源模塊提供兩種供電方式。當系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的工作量不是太高，且用戶的有線網(wǎng)絡(luò)擴展功能不強時，電源可用于維持無線模塊的穩(wěn)定性以進行數(shù)據(jù)傳輸反之，系統(tǒng)的供電應(yīng)直接使用干電池，使系統(tǒng)的能耗有所降低，系統(tǒng)的便攜性有一定的提高。

為了降低安全監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的誤碼率，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須滿足以下幾點：（1）各傳感器之間可自動進行組網(wǎng);（2）傳感器的定位準確、數(shù)據(jù)集高效、快捷;（3）系統(tǒng)集數(shù)據(jù)的請求和傳輸有規(guī)律。（4）數(shù)據(jù)的傳輸要穩(wěn)定安全。為此，系統(tǒng)無線模塊中進行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)慕K端設(shè)備選取CC2530射頻芯片作為系統(tǒng)的射頻模塊，這種CC2530系列的芯片以它成本低、組網(wǎng)功能極其強大并且集成了微處理器和射頻通信為一體的特點，保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的工作效率。CC2530射頻芯片的組網(wǎng)功能極其強大，具有6種自動組網(wǎng)模式，有8051系列的微控制器內(nèi)核，具備系統(tǒng)硬件調(diào)制的功能，能滿足符合實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的要求。天線接口和顯示接口的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有智能總線協(xié)議和低功耗射頻協(xié)議。智能總線協(xié)議的最大傳輸距離為1220米，傳輸速率可達9. 8Mbps，并可以實現(xiàn)400個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時進行傳輸工作。低功耗射頻協(xié)議使用的傳輸工具是介質(zhì)訪問控制層，抗干擾能力遠遠優(yōu)于智能總線協(xié)議，但是它的傳輸速率低于智能總線協(xié)議。經(jīng)系統(tǒng)測試，當用戶的有線網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定時，使用智能總線協(xié)議，反之，自動切換為低功耗射頻協(xié)議。

控制模塊用于控制無線模塊的數(shù)據(jù)采集工作，選取msp430f4250微處理器芯片，對系統(tǒng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行分析處理。msp430f4250微處理器芯片具有16位的指令計算機結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ο到y(tǒng)節(jié)點結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)操作方式及系統(tǒng)軟硬件有關(guān)編譯的工作進度給予有效合理的協(xié)調(diào)，以減小系統(tǒng)采集的誤差，降低無線傳輸?shù)恼`碼率，提高系統(tǒng)的工作效率。

2.2后臺服務(wù)器

后臺服務(wù)器的任務(wù)是將系統(tǒng)接收到的實驗室安全數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的分析處理，將控制指令傳送到網(wǎng)關(guān)。實驗室管理員可以通過APP或PC端查詢后臺服務(wù)器，獲取實驗室安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，或?qū)嶒炇业陌踩[患進行遠程控制處理。后臺服務(wù)器在移動客戶端和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間起連接作用，后臺服務(wù)器的具體功能為：（1）接收數(shù)據(jù)，將無線傳感器網(wǎng)終端節(jié)點采集的實驗室安全數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)中讀出。（2）實驗室安全數(shù)據(jù)的管理，以列表的形式將每個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)以列表的方式在界面上顯示，方便實驗室管理員查詢。（3）實驗安全設(shè)備的運行狀態(tài)查詢，在界面上以列表的形式顯示實驗室安全設(shè)備的工作狀態(tài)，管理員點擊設(shè)備圖標，在界面上彈出該設(shè)備運行的相關(guān)數(shù)據(jù)并實現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)控制當點擊攝像頭時，調(diào)節(jié)攝像頭的方向，實現(xiàn)實驗室無死角顯示，并在界面上顯示清晰的圖像或視頻。實驗室的安全隱患易發(fā)生于實驗室無人值守，當實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生安全報警提示時，實驗室管理員通過移動客戶端訪問后臺服務(wù)器，并在數(shù)據(jù)庫中查看實驗室安全監(jiān)控數(shù)據(jù)，找到實驗室安全隱患原因，控制效果安全設(shè)備，排除安全隱患，降低或避免不必要的損失。

2.3移動客戶端

實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的移動客戶端采用基于安卓操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件，包括JDK以及Eclipse軟件移動端，連網(wǎng)的移動客戶端輸入ip地址，連接成功后，手機能夠自動進行實驗室安全數(shù)據(jù)的刷新，實驗室管理員可以實時監(jiān)控實驗室的安全情況。

3結(jié)語

本文主要對實驗室的安全監(jiān)控進行系統(tǒng)分析，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計其架構(gòu)簡單，操作性強，可控性高具有動態(tài)路由和自組網(wǎng)等優(yōu)點在具體使用過程中，能根據(jù)不同的需求接入相應(yīng)的無線傳感器節(jié)點。因此能夠適用于不同的實驗室安全監(jiān)控，具有一定的推廣價值。

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