李瑞利 黃卓忻 韋樹貢 宋俊慷
(廣西民族師范學(xué)院,廣西 崇左 532200)
隨著社會科技水平以及經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升,對高質(zhì)量人才的需求也愈來愈大,因此各大高校開始不斷地擴招,在此形勢下,高校實驗室獲得極大發(fā)展,規(guī)模隨之?dāng)U大,其實驗設(shè)備數(shù)量逐漸增多,從而提高對實驗室安全管理的要求?,F(xiàn)階段,大多數(shù)實驗室的安全管理均以人工管理為主,其有效性以及及時性難以達(dá)到安全管理的標(biāo)準(zhǔn),且效率也不夠理想,所以,必須積極將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到安全管理中。物聯(lián)網(wǎng)是一種將互聯(lián)網(wǎng)計算機作為支撐,借助自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)以及R FID 射頻技術(shù)等所建造出來的一種通信網(wǎng)絡(luò),其可包含多種實物。隨著信息時代的到來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到有效應(yīng)用,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的助力下,許多行業(yè)均實現(xiàn)智能發(fā)展,例如:智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療以及智能交通等等。在實驗室安全管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),能夠使實驗室智慧管理成為現(xiàn)實,繼而促進(jìn)實驗室教學(xué)的有序開展。
在一些化學(xué)實驗室中,所使用的化學(xué)藥品一般都具有較高毒性,因此極易導(dǎo)致毒害性事故的發(fā)生,導(dǎo)致事故發(fā)生的因素較多,例如:第一,設(shè)備及設(shè)施年久失修,老化嚴(yán)重[1],具有較為明顯的缺陷問題及故障問題,導(dǎo)致一些有毒氣體以及有毒物質(zhì)排放達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),或者發(fā)生泄漏事件,繼而導(dǎo)致中毒;第二,相關(guān)人員操作不規(guī)范,造成大量有毒氣體及有害物質(zhì)產(chǎn)生;第三,管理不當(dāng),導(dǎo)致有毒物品沒有得到及時處理,對環(huán)境造成污染[2]。
第一,由于部分人員忘記及時將電源關(guān)閉,因此導(dǎo)致電器通電時間超出標(biāo)準(zhǔn),繼而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生;一些工作人員使用方法錯誤或者是操作不規(guī)范,致使易燃物質(zhì)和火源接觸,導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生;第三,電線路老化嚴(yán)重。
相關(guān)工作人員沒有檢查好門窗的關(guān)閉情況,同時一些實驗室的門窗防盜性能不佳,如:鎖或者是門的質(zhì)量不夠理想[3],窗戶防盜網(wǎng)沒有安裝到位等,均極易導(dǎo)致物品失竊事件的發(fā)生。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室安全管理系統(tǒng)架構(gòu)總共分成三層,第一層:感知層;第二層:網(wǎng)絡(luò)層;第三層:應(yīng)用層。感知層與人體中皮膚以及眼耳鼻喉等感知系統(tǒng)的作用相似,其主要是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來進(jìn)行物體識別以及信息采集、匯集數(shù)據(jù)等工作,同時這也是感知層的主要功能。在該安全管理系統(tǒng)中,感知層借助攝像頭、水流量計、M1IC 卡、電能表以及RFID讀寫器等終端[4],使門禁系統(tǒng)、水電監(jiān)控以及視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)匯集功能得以實現(xiàn)。接著是網(wǎng)絡(luò)層,其主要由六個部分組成,包括網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算平臺、有線通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及無線通信網(wǎng)等,作用與人體的神經(jīng)中樞相似,主要承擔(dān)對感知層所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳遞的任務(wù)。在該系統(tǒng)中,對于短距離的數(shù)據(jù)傳輸,主要利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行[5],所收集到的各種數(shù)據(jù),一般是經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后接入光纖環(huán)網(wǎng),然后向中央服務(wù)器傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。最后是應(yīng)用層,這一層主要是用戶與物聯(lián)網(wǎng)的接口,在該系統(tǒng)里,又包括三個層面,即界面、業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)[6],在業(yè)務(wù)層中,用戶能夠使用門禁管理、水流監(jiān)控、信息管理以及視頻監(jiān)控等相關(guān)服務(wù)功能。對于系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā),一般情況下,選擇使用FameView 工業(yè)組態(tài)軟件來進(jìn)行,此外,主要在中央服務(wù)器上進(jìn)行配置工作。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所構(gòu)建的實驗室安全管理系統(tǒng),其應(yīng)用功能有6 個,如下:實驗室所有房間的實際電能使用情況、門禁管理、水流監(jiān)測以及視頻監(jiān)控、信息傳輸、數(shù)據(jù)分析。
第一,電能監(jiān)測功能:這一功能通常是對實驗室各個房間的實際用電情況進(jìn)行實時監(jiān)測,同時及時處理實驗室中出現(xiàn)的用電突發(fā)情況[7]。為使這一目標(biāo)得以實現(xiàn),將一個專門的電能檢測電氣箱安裝到實驗室中,借助互感器向電力儀表傳輸電氣箱中的電流信號,繼而達(dá)到對相應(yīng)電能信號進(jìn)行采集整合的目的。對于所采集到的數(shù)據(jù),需要將其傳輸?shù)焦饫w環(huán)網(wǎng)中,這一目標(biāo)主要通過 ZigBee 無線傳輸來實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)成功經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)到達(dá)系統(tǒng)之后,電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)就能被中央服務(wù)器讀取,繼而使實驗室用電情況的數(shù)據(jù)采集功能以及實時監(jiān)控功能得以實現(xiàn)。
第二,門禁管理功能:設(shè)置門禁管理的目的是為避免無關(guān)人員闖入實驗室造成不必要的麻煩。在門禁管理系統(tǒng)查詢清楚相關(guān)人員的信息,且確定其身份與使用的要求以及標(biāo)準(zhǔn)相符后,大門才會自動開啟,讓獲得批準(zhǔn)的人員按順序進(jìn)入實驗室中,以此來使實驗室的安全得到有效保障。R FID 射頻技術(shù)是門禁系統(tǒng)采集器的主要技術(shù)支撐,其可幫助系統(tǒng)快速、有效地識別目標(biāo),同時得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)及信息,并且及時與數(shù)據(jù)庫中儲存的信息相對比,確定信息一致之后,即可允許其進(jìn)入實驗室。
第三,水流監(jiān)測:這一功能主要是為了對實驗室的實際用水情況以及用水安全進(jìn)行實時監(jiān)測。將水流量計安裝到實驗室洗手間里,同時借助光纖環(huán)網(wǎng)在中央控制室與流量計之間做一個遠(yuǎn)距離的通信,利用光纖向中央服務(wù)器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù),繼而確保水流監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時采集相應(yīng)的水流使用數(shù)據(jù)及信息,同時實現(xiàn)水流使用情況的實時監(jiān)控,避免浪費水的情況出現(xiàn)。
第四,視頻監(jiān)控功能:將一些自動識別光線的攝像頭安裝到實驗室各個房間里,接著采取客戶端軟件和紅外攝像頭來使視頻數(shù)據(jù)的實時采集以及及時傳送得以實現(xiàn),相關(guān)工作人員能夠借助界面來將歷史監(jiān)控畫面以及實時監(jiān)控畫面調(diào)出;
第五,信息傳輸功能:功能作用對象為實驗室中的設(shè)備以及使用實驗室人員的信息,主要功能具體為:及時錄入、隨時查詢以及有效修改。
第六,數(shù)據(jù)分析。這一功能主要是將所收集到的水電信息匯總,同時對其進(jìn)行分析統(tǒng)計,借助曲線圖以及報表的方式來將這些數(shù)據(jù)輸出。
借助光纖收發(fā)器來形成實驗室通信環(huán)形鏈路,在這樣的情況下,一些其他的設(shè)備以及設(shè)施在進(jìn)入系統(tǒng)時,只用把協(xié)議變成TCPIP 協(xié)議就能達(dá)到目的[8],借助服務(wù)器,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙高速讀取、安全讀取、穩(wěn)定讀取,同時寫入時也可具備這些要素。設(shè)施設(shè)備的通信方式實現(xiàn)路徑主要有下列四個:
第一,在儀表獲得相關(guān)的水流量數(shù)據(jù)之后,AIBUS 協(xié)議會對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并且將其傳輸至PLC,PLC 利用串口服務(wù)器把PPI 協(xié)議變成PPI/TCP,借助光電轉(zhuǎn)換功能,使數(shù)據(jù)與光纖環(huán)網(wǎng)相連;
第二,電力儀表采集數(shù)據(jù),儀表協(xié)議為Modbus。向ZegBee 協(xié)調(diào)器傳送 Modbus 數(shù)據(jù),然后協(xié)調(diào)器會把所獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?TCP/IP,由于Modbus 是原始協(xié)議,因此在轉(zhuǎn)換之后,協(xié)議為Modbus/TCP,進(jìn)入光纖環(huán)網(wǎng)通信。
第三,R FID 采集器配備有串口協(xié)議,因此,在門禁讀卡器完成相應(yīng)的人員身份信息識別工作之后,會得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)及信息,借助串口,能夠向PLC 傳輸相關(guān)數(shù)據(jù),PLC 借助串口服務(wù)器把相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成PPI/TCP,繼而達(dá)到向光纖環(huán)網(wǎng)鏈路傳輸門禁數(shù)據(jù)的目的。
第四,在全部設(shè)施設(shè)備借助TCP 將數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)網(wǎng)后,將環(huán)網(wǎng)作為中介工具,服務(wù)器即可獲得節(jié)點數(shù)據(jù),然后向數(shù)據(jù)庫輸送所獲得的節(jié)點數(shù)據(jù),最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速讀取、數(shù)據(jù)有效處理、數(shù)據(jù)深入挖掘、數(shù)據(jù)及時存儲以及數(shù)據(jù)有效控制。
為使實時采集數(shù)據(jù)得到實現(xiàn),將攝像頭以及電能檢測電氣箱接入實驗室中的所有子實驗室房間,同時將水流量計安裝在實驗室每一樓層兩端的洗手間里。將R FID 讀卡器安裝到實驗室的大門上。
第一,采集水流量。將采集儀表以及旋進(jìn)旋渦流量計安裝大洗手間的管道中,在流量計中配置有專門的ADC 電路,把模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換之后,將其傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫里,繼而能夠?qū)λ魇褂们闆r進(jìn)行及時的統(tǒng)計,同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。
第二,采集電量。將電能監(jiān)測電氣箱安裝到實驗室后,對電氣箱進(jìn)行檢查,確保其配有互感器,然后利用ZigBee 終端來向中央控制柜中的ZigBee 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù),在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換之后,數(shù)據(jù)會被輸送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,繼而使電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及實時監(jiān)控得到實現(xiàn)。
第三,采集視頻。攝像頭包括兩種類型,即帶云臺球機攝像頭以及海康球機攝像頭,可以利用組態(tài)軟件來調(diào)動攝像頭及其功能。
第四,采集相應(yīng)的門禁信息。R FID 技術(shù)是門禁系統(tǒng)的支撐,構(gòu)成部分有三個,即PLC、標(biāo)簽以及讀卡器。在讀卡器讀入標(biāo)簽數(shù)據(jù)之后,借助串口編程,能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)輸送給PLC,PLC 會將讀卡器輸送給服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,然后服務(wù)器會根據(jù)數(shù)據(jù)的實際分析情況以及處理情況,對不同情況進(jìn)行響應(yīng),同時將情況的相關(guān)信息及數(shù)據(jù)記錄下來。
總而言之,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也逐漸趨于成熟化,在實驗室的安全管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),不僅能夠使設(shè)施設(shè)備的安全得到一定保障,并且能夠進(jìn)一步提升實驗人員以及實驗設(shè)施管理控制的效率及質(zhì)量。本文將實驗室的門禁管理、水電實時監(jiān)測以及視頻監(jiān)控作為主要切入點,對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室安全管理中的應(yīng)用進(jìn)行分析,其將多種協(xié)議、傳感器以及傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到安全管理系統(tǒng)中,促進(jìn)實驗室安全管理的智能化發(fā)展以及現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅有助于明確實驗室安全管理的方向,并且可以進(jìn)一步強化實驗室安全管理的效果,最終為教學(xué)科研服務(wù)提供有效地幫助。