高等学校电气类实验室安全管理系统

李明 王润涛 果莉 房俊龙

摘要：针对电气类实验室存在的安全管理问题，阐述了基于现代技术手段的安全预警管理系统的实施方案，详细介绍了通过传感器技术、RFID无线射频技术、ZigBee无线传输技术与远程访问技术相互融合，对实验室存在的火灾、漏水、失盗等安全隐患进行监控预警的过程，为高等学校实验室安全管理提供了技术指导。

关键词：电气类；实验室安全管理；RFID；ZigBee

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0011-02

一、引言

高校实验室安全问题对任意一所高校都是至关重要的。近年来，随着高等教育体制改革向着“创新应用型人才培养”的发展趋势，实验课程学时增加，实验室规模扩建，安全已经被列为实验室建设管理的首要条件。实验室安全的保证不仅需要建立详细的安全操作规范与负责人管理制度，更要结合先进的技术手段建立完备的预警机制与紧急预案。

二、电气类实验室存在的安全问题

实验室安全问题包括两个主要方面：一是实验操作过程中操作者的人身安全，二是贵重实验材料设备保管防盗安全。电气类实验室涉及高电压大电流实验以及电子焊接实验，虽然目前的实验平台已经高度集成，已经尽量避免学生直接接触裸露高压线，但操作失误或管理不当都会引起事故，学生在不明确电路图的条件下连线短路会直接造成设备损毁甚至引起火灾，实验室湿度过大或者灰尘堆积都会对设备造成侵蚀埋下安全隐患。此外，电气类实验室学生集中上课流动性大、实验仪器设备昂贵且类别繁多，经常出现丢失的现象。针对高等学校电气类实验室存在安全管理问题，结合智能化、自动化管理系统的发展现状，设计一套适用于实验室安全预警的管理系统，能够减少安全事故的发生，改善实验室的安全管理。

三、安全管理系统的构架组成

实验室安全管理系统由事故预警模块、防盗预警模块、环境参数控制模块、远程访问模块三个主模块组成，通过多种终端传感器采集信息作为预警和控制的参数。结构图如图1所示。

事故预警包括对火灾、漏水以及设备过压过流运行的监测，通过设定参数范围即可实现对事故进行提前警报。（1）环境控制模块。照明控制可以根据检测人体位置实现不同灯管的开关控制，并在无人情况下自动熄灯，温度传感器分散安装于墙面、棚顶，通过平均运算得出参数控制空调的启停。（2）防盗预警模块。门禁控制采用无线射频技术，在每个设备上安装电子标签，防范非许可情况下将设备带出实验室。每个实验室安装无线视频摄像头实现无死角在线监控。获取的控制参数保存至数据库，管理员可以通过网络随时随地访问系统状态。

四、技术原理

1.传感器采集参数信息。火灾是电气类实验室较易发生的事故，一旦發生火灾及时发现有效灭火是极为重要的。火灾烟雾是由气、液、固体微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微电流变化装置。当烟雾粒子进入电离室，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大，由此来确定空气中的烟雾状况。

房屋或窗户漏水也是电气类实验室的安全隐患之一，虽然这种情况发生的几率相对较小，但如果在无人值守的情况下发生漏水，对实验设备和材料的损害是巨大的。在易发生漏水的位置，如水池周围地板下方、窗台附近安装湿度传感器，以备发生漏水时及时通知管理员。电流电压传感器连接在实验设备敏感单元内部，实现电流电压过大时自动断电。无线温度传感器安装于刀闸、电缆接头、接触器触点、母线连接点等各类高低压设备连接点，通过监测其温度，预防温度过高引起的事故。另外，墙体周围分散安装温度传感器，作为空调启停的控制参数。人体感应传感器安装于灯具旁。人体进入传感器感应范围内时，传感器就会输出一个高电平脉冲信号或高电平延时信号，输出的感应脉冲或延时信号可以直接驱动照明灯。

2.RFID-EAS无线射频-电子标签。无线射频技术RFID（Radio Frequency Identification）是在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的，相对于传统的条型码、磁卡及IC卡，RFID具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能。EAS（Electronic Article Surveillance）是一种设置在需要控制物品出入门口的RFID技术。这种技术一边应用于商店图书馆等场所，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。实验室门禁EAS系统由检测器、电子标签、解码器组成。检测器包括接收、发送两个模块，分别安装在门禁左右两侧，发送模块利用发射天线发出一定范围的扫描信号，接收模块的接收天线与发射天线相对应形成带状扫描区域，采用电磁波的共振效应搜索带状扫描区域内有无电子标签经过，检测到电子标签随即产生报警信号。电子标签是由Lc振荡回路组成的电子传感器，在每个实验设备外壳内部贴装电子标签，可以防止将标签随意揭掉，解码器是电子标签的灭活装置，由实验室管理员保管，只有通过解码器灭活之后才可以授权设备正常出入实验室门禁。此外，在实验室出口安装监视器，形成一定区域的监视空间，当出现实验设备未授权通过门禁时，系统自动发出警报，并控制监视器拍摄视频保存于系统特定存储区。

3.ZigBee无线传输技术。zigbee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，其主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。实验室空间有限，安全管理系统采用的传感器数量多、布线复杂、不易于维护，因此无线传输是实验室安全管理系统数据传输的首选方法。系统采用ZigBee协议实现各个传感器与主控制器间的数据通讯。每个传感器匹配一个ZigBee终端组成数据采集模块，ZigBee终端通过IO口间歇性读取对应传感器采集的数据，并将数据打包发送给ZigBee无线路由器进行中转，无线路由器再将数据包发送给ZigBee协调器，协调器用于组建无线网络，并将数据发送至主控制器的特定处理模块。环境控制模块中，主控制器会对接收的数据进行分析，根据程序中预先设定的参数范围，直接对空调和照明灯发送控制信号。在事故预警与防盗预警模块中，主控制器对数据进行处理后，判断是否存在事故隐患或防盗警报，如果存在，通过androidPN服务器向实验室管理员的手机发送预警信息。

4.数据库远程访问。实验室安全管理系统采集的数据包括视频格式、图片格式、字符格式，通过ZigBee无线传输至主控制器，主控制器对数据进行分析处理，将可作为控制参数或报警参数的数据存放于数据库A区永久留存，冗余字符数据（即无异常情况下各个传感器获取的环境数据）存放于B区，冗余视频数据存放于C区，数据库B区与C区数据每学期清空一次。管理员可以在办公室或家里电脑以及手机随时登录安全管理系统访问数据库，了解实验室状态。

五、结语

随着电气类学科实验室规模不断扩充的发展需求，面对实验室运行过程中存在的安全隐患与管理问题，有效的利用现代科技手段实现自动监控与预警，能够减少安全事故发生的概率，降低管理员的劳动强度，进一步保证了实验室的安全运行，使学生能有一个良好的课堂环境。

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