鄭宏，房亞兵，李孟昕，劉志遠(yuǎn)，劉睿萍

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）機(jī)械工程學(xué)部，山東 濟(jì)南 250353）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)科研水平的提升，高校使用的危險(xiǎn)化學(xué)品的種類及數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。但在高校實(shí)驗(yàn)室安全事故中，因?；饭芾聿划?dāng)引發(fā)的事故占76%以上。因此，?；饭芾硎歉咝?shí)驗(yàn)室安全管理的重點(diǎn)。

基于目前市面上現(xiàn)存的?；穬?chǔ)存柜的價(jià)格昂貴、智能化程度低、缺乏對(duì)?；啡鞒痰陌踩芾砗捅O(jiān)測(cè)，因此，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)研發(fā)一種可回溯[1]、可預(yù)警、可降險(xiǎn)的智能?；钒踩珜Ｓ霉窦捌渑涮椎墓芾硐到y(tǒng)，并集成物聯(lián)網(wǎng)模塊，全方位、全流程實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)?；返拇鎯?chǔ)、使用及其廢棄物的處理和回收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)?；返闹悄芑?、精細(xì)化管理。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 ?；反鎯?chǔ)柜總體外觀設(shè)計(jì)

專用柜根據(jù)危化品的化學(xué)性質(zhì)分為黃色、紅色、藍(lán)色、灰色以及白色5 個(gè)分柜，分別代表易燃化學(xué)品存儲(chǔ)柜、易爆?；反鎯?chǔ)柜、腐蝕性化學(xué)品存儲(chǔ)柜、易制毒化學(xué)品存儲(chǔ)柜、壓縮/液化氣體氣瓶存儲(chǔ)柜，分柜通過(guò)云端進(jìn)行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄入，其外觀整體圖如圖1 所示。

圖1 專用柜外觀整體圖

1.2 內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每個(gè)柜體內(nèi)部均采用多宮格式分布，將柜體分為多個(gè)方格體[2]，每個(gè)單元格都單獨(dú)存放一種化學(xué)試劑，便于實(shí)現(xiàn)?；贩诸惔娣偶坝脩艨焖倬珳?zhǔn)地查找。

?；穬?chǔ)存柜分為外部殼體和內(nèi)部?jī)?chǔ)存格，兩者之間設(shè)有對(duì)應(yīng)的卡槽，實(shí)現(xiàn)分柜模塊化組裝。內(nèi)部?jī)?chǔ)存柜門上裝有小型電子鎖，通過(guò)藍(lán)牙通訊信號(hào)與觸控平臺(tái)終端連接，控制電子鎖開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取用試劑。每個(gè)方格底部放置一個(gè)盤底空腔，空腔底部?jī)?nèi)側(cè)壁緊貼著弧形的儲(chǔ)油室，頂部連接有頂桿，頂桿頂端設(shè)有防滑、防腐蝕的環(huán)氧脂置板，用于放置試劑瓶。底端內(nèi)部設(shè)有隔油柔性板，可有效緩解托盤上部的沖擊力，保證托盤上物體的穩(wěn)定性，降低?；繁粨p壞的風(fēng)險(xiǎn)。頂桿與隔油柔性板接觸的位置通過(guò)弧形壓板連接，減少連接處的應(yīng)力集中。柜體內(nèi)側(cè)中部設(shè)有承托板，頂端和承托板底部都安裝低能耗的LED 燈管，提供照明。正面開(kāi)口的柜體設(shè)計(jì)對(duì)稱的門板，采用高強(qiáng)度材料和測(cè)試合格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]，增強(qiáng)其使用的安全性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 柜體內(nèi)底部結(jié)構(gòu)圖

2 柜體外部?；窂U棄物的收集裝置及回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

危化品廢棄物即 “三廢”[4]指的是廢氣、廢液和廢物。由于實(shí)驗(yàn)室中的有毒有害物質(zhì)具有不確定性、多變性和復(fù)雜性，為確保實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全，危化品廢棄物的處理和可控回收是關(guān)鍵的一環(huán)。

2.1 廢氣的收集和安全處理裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 通風(fēng)及廢氣收集裝置設(shè)計(jì)

為了防止揮發(fā)性危險(xiǎn)氣體的泄漏，在各小型存放區(qū)域的背部設(shè)置了一個(gè)帶有電動(dòng)風(fēng)扇的吸氣口，與廢棄物儲(chǔ)存柜相連。

廢氣收集裝置用于收集和處理在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，避免其對(duì)人員和環(huán)境造成危害。有害氣體通過(guò)吸氣口、氣體通道，設(shè)有削弱毒性的液體過(guò)濾層和防止氣體泄漏的煤油保護(hù)層的廢棄物儲(chǔ)存柜內(nèi)，從而確保安全回收有害氣體。

2.1.2 廢氣安全排放系統(tǒng)

廢氣排放系統(tǒng)包括用戶身份驗(yàn)證、智能操作控制系統(tǒng)等模塊，實(shí)現(xiàn)了高效凈化排放和可視化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

將氣體類別輸入顯示屏信息欄中，當(dāng)危險(xiǎn)氣體進(jìn)入裝置后，安裝的氣體分析儀器對(duì)氣體性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析，確定合適的氧化劑或還原劑后，釋放在柜體中。廢氣中的有機(jī)物、酸、堿等與其進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)廢氣過(guò)濾凈化，經(jīng)處理后的無(wú)害化氣體經(jīng)通風(fēng)口排出，實(shí)現(xiàn)廢氣排放。柜內(nèi)底部設(shè)置了泄漏檢測(cè)儀，其具有兩個(gè)對(duì)稱的檢測(cè)頭，可快速檢測(cè)出柜內(nèi)氣體的泄漏。

2.2 廢物廢液的收集回收裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

?；坊厥昭b置內(nèi)部分為兩層，并安裝特有的信息分析檢測(cè)裝置，柜體可自動(dòng)打開(kāi)頂蓋，固態(tài)危廢品放入固態(tài)存放層，液態(tài)危廢品放入液態(tài)存放層。廢棄物和廢液進(jìn)入柜體后，可通過(guò)位于兩個(gè)存儲(chǔ)層中的pH 傳感器、溫度傳感器、液面?zhèn)鞲衅鱗5]等對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)終端進(jìn)行分析，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)超出閾值時(shí)，立即向管理員發(fā)出警報(bào)，進(jìn)行相關(guān)處理。

2.2.2 廢物廢液回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）危廢品的處理回收總體流程

固液廢物回收系統(tǒng)包括用戶身份驗(yàn)證模塊、智能操作控制系統(tǒng)等模塊，運(yùn)用全反射X 射線熒光光譜儀（TRXRF）[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[7]對(duì)廢物和廢液進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

（2）具體實(shí)施方式

在?；饭耋w外側(cè)所安裝的專用于回收的柜體內(nèi)部分兩層，并安裝特有的信息分析檢測(cè)裝置[8]。對(duì)廢棄物的回收，管理人員先在柜體外側(cè)的數(shù)據(jù)屏上輸入所要放入的廢物分類（固液、酸堿等）信息，柜體內(nèi)部根據(jù)錄入信息發(fā)送命令請(qǐng)求，WIFI 通訊模塊接收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的命令請(qǐng)求，并將該請(qǐng)求發(fā)送給控制模塊，控制模塊向電機(jī)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)伸縮桿將所需要的回收平臺(tái)從密集架擱板上向外推出一定距離，形成自動(dòng)回收平臺(tái)。對(duì)廢液的回收，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[9]，管理人員需將液體倒入液體回收平臺(tái)，系統(tǒng)感應(yīng)檢測(cè)后，分析處理所得數(shù)據(jù)。兩項(xiàng)技術(shù)在對(duì)廢物廢液數(shù)據(jù)分析后，將自動(dòng)投放進(jìn)合適的回收箱中，實(shí)現(xiàn)廢液廢物自動(dòng)歸還，處理流程如圖3 所示。

圖3 廢物廢液處理流程圖

2.3 排放回收平臺(tái)的信息記錄與監(jiān)測(cè)

此部分主要用于對(duì)廢氣、廢物及廢液信息（物理、化學(xué)性質(zhì)、主要成分、剩余質(zhì)量、是否回收等）實(shí)時(shí)記錄，并通過(guò)云端輸入到柜體外側(cè)顯示屏以及移動(dòng)端或電腦端APP 上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。

3 智能柜體管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)可實(shí)現(xiàn)身份核驗(yàn)、權(quán)限檢測(cè)、智能操作、采購(gòu)和使用記錄、內(nèi)部監(jiān)控、全流程動(dòng)態(tài)監(jiān)督和管理等功能。

3.1 主控系統(tǒng)總體架構(gòu)

主控系統(tǒng)是以安卓工控機(jī)為主控制器。工控機(jī)內(nèi)部操作系統(tǒng)為獲得Root 權(quán)限的Android 12.0 版本，可滿足工業(yè)自動(dòng)化和控制領(lǐng)域的需求[10]。主控制器液晶屏能夠提供友好的人機(jī)交互界面，同時(shí)該設(shè)備還配備了語(yǔ)音模塊，可在數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。主控制器與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，選擇低功耗的NB-IoT 作為通信手段，具體型號(hào)為某品牌的全網(wǎng)通模組BC35-G，通過(guò)USB 接口與RFID 模塊連接。此外，該設(shè)備還配備了RS485 接口，可連接IC 讀卡器，如圖4 所示。

圖4 主控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 云端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)云端?；窋?shù)據(jù)庫(kù)，記錄危險(xiǎn)化學(xué)品的最后使用期限信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的智能管理。

云端?；窋?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用傳感器協(xié)議處理模塊（SPM）和業(yè)務(wù)處理模塊（BPM）[11]，有用戶管理和智能柜管理兩個(gè)重要的管理系統(tǒng)。另外，該系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)展示功能，以圖形化方式展示給用戶。

3.3 智能門禁系統(tǒng)

智能門禁系統(tǒng)是由IC 身份確認(rèn)模塊、觸摸顯示屏及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊[12]、智能語(yǔ)音模塊組成，如圖5 所示,能夠?qū)崿F(xiàn)身份驗(yàn)證、出入信息記錄、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警等功能，使門禁系統(tǒng)更加安全可靠，同時(shí)提高了管理員的工作效率。柜體內(nèi)設(shè)有聲光報(bào)警器，可在?；饭裎唇?jīng)授權(quán)操作或超時(shí)開(kāi)啟時(shí)發(fā)出聲音和光閃，以提醒工作人員注意和采取必要措施。

圖5 智能門禁系統(tǒng)圖

3.3.1 IC 卡身份確認(rèn)模塊

IC 卡身份信息讀取模塊是IC 卡通過(guò)NFC 讀卡器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入，NFC 讀卡器與電腦端讀寫(xiě)軟件相連，通過(guò)電腦系統(tǒng)操作讀取IC 卡，并將 “實(shí)驗(yàn)室安全學(xué)習(xí)考試在線系統(tǒng)” 信息保存到讀寫(xiě)軟件中，利用RC522 模塊將所需信息導(dǎo)入IC 卡的存儲(chǔ)器，并定期更新數(shù)據(jù)。讀卡器讀取IC 卡中用戶身份信息，與數(shù)據(jù)比對(duì)，若使用者未參加學(xué)習(xí)或未通過(guò)考試，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并語(yǔ)音播報(bào) “沒(méi)有取用資格” 。另外，通過(guò)RFID衣物識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別衣物上的RFID 標(biāo)簽，并將數(shù)據(jù)傳輸給柜體控制器和服務(wù)器，控制器解析和處理衣物信息，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如果取用人員的防護(hù)措施不符合要求，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，從而對(duì)?；肥褂觅Y格和規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

3.3.2 觸摸顯示屏的主控電路設(shè)計(jì)

柜門中央設(shè)置智能觸摸顯示屏，并安裝小型攝像裝置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控并存。智能顯示屏采用STM32 主控電路設(shè)計(jì)，核心控制器選用STM32F103ZET6微處理器，主芯片工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)設(shè)有高速存儲(chǔ)器、通用16 位定時(shí)器、SPI 接口等，其中還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口，如CAN 總線接口、USART 接口和SDIO 接口等。顯示屏上所安裝的小型攝像裝置，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將分布于各個(gè)設(shè)備的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來(lái)，然后各個(gè)管理站點(diǎn)的服務(wù)器再用局域網(wǎng)連接起來(lái)，形成了柜體的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)WIFI 連接，管理員可由移動(dòng)端或電腦端在線監(jiān)測(cè)柜體外部的操作情況。

3.3.3 智能語(yǔ)音識(shí)別模塊

為實(shí)現(xiàn)高效便捷操作，采用可信呼叫的實(shí)時(shí)音視頻流的智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)服務(wù)于門禁模塊。使用者可通過(guò)呼叫端告知柜體自身需求，如借用或歸還某種試劑的數(shù)量、種類等，柜體通過(guò)接聽(tīng)端將借用人的需求信息錄入，并進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，匹配相應(yīng)的危化品試劑，之后通過(guò)語(yǔ)音端輸出語(yǔ)音信息，向借用人提供取用的劑量、窗口、操作方式等。

3.4 全流程的各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模塊

3.4.1 柜內(nèi)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)模塊

柜體中設(shè)有氣體壓力表、傾角傳感器和溫濕度傳感器、濃度傳感器，可以自動(dòng)收集儲(chǔ)存各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同指標(biāo)生成不同的變化曲線，實(shí)時(shí)向管理人員傳輸。同時(shí)，備份到云端，操作系統(tǒng)通過(guò)分析曲線是否出現(xiàn)異常變化，可以及時(shí)向管理人員發(fā)送警報(bào)或作出提醒，從而及時(shí)處理，有效防止柜內(nèi)?；沸孤U(kuò)散事故的發(fā)生。

3.4.2 存取使用?；愤^(guò)程的監(jiān)控與監(jiān)測(cè)

存儲(chǔ)柜能夠根據(jù)?；返幕瘜W(xué)性質(zhì)以語(yǔ)音方式向管理員推薦合適的存放位置。使用者取用?；分螅到y(tǒng)會(huì)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)提示其將剩余?；贩湃牍裰兄付▍^(qū)域內(nèi)。

安裝在存放板下方的電容式稱重感應(yīng)器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)危化品的取用劑量，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控配重狀態(tài)的變化，以避免取用超量的情況發(fā)生。取用后的剩余量會(huì)自動(dòng)匹配到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)手機(jī)可直接查看，同時(shí)可檢測(cè)部分具有揮發(fā)性的?；返馁|(zhì)量變化。當(dāng)重量傳感器數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間（預(yù)先設(shè)置時(shí)間點(diǎn)）未變化或試劑重量值為空瓶質(zhì)量值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給管理人員發(fā)送通知，提示其化學(xué)試劑可能已失效或用完，需要及時(shí)更換。另外，柜體中設(shè)置的攝像頭全程記錄取用過(guò)程，取用者可以掃描藥品容器上的條碼，記錄信息和使用情況，以便后期追溯。

4 結(jié)語(yǔ)

危險(xiǎn)化學(xué)品的存放和使用，是?；妨魍ê凸芾磉^(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。智能?；穼Ｓ霉竦脑O(shè)計(jì)基于高校實(shí)驗(yàn)室的安全與環(huán)保，其創(chuàng)新性在于柜體結(jié)構(gòu)，真正可實(shí)現(xiàn)危化品的分類存放。并且功能更加全面，實(shí)現(xiàn)了身份識(shí)別、使用過(guò)程監(jiān)測(cè)以及?；窂U棄物處理和安全回收等功能的整合創(chuàng)新，經(jīng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。