开放实验室物联网安防系统设计

张琛

摘要：为了适应中国高校开放办学的趋势，解决实践教学中实验室管理困难的问题，采用了物联网技术，设计了开放实验室物联网安防系统。划分为感知层、网络层与应用层三层架构，能按传感器类型对实验室突发事件进行有效分类，调取匹配的处置预案，更加精准地指挥保安和安全员应对实验室事故。实践表明本系统不仅仅能发挥安防应急指挥的作用，也能加强实践教学的管理。

关键词：开放实验室；物联网；安防系统

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）25-0039-02

2016年2月，国务院针对城市交通阻塞问题提出了“街区制”的解决方案，提出居民小区和企事业大院应逐步向社会开放，优化城市路网，提高城市的交通效率。2016年7月，中国人民大学，北京航空航天大学，中国政法大学等多所北京高校率先开放校园道路，以促进区域交通微循环，减少过往车辆绕校园的现象，被社会媒体解读为“大学拆墙”。很显然，随着中国高校从上世纪五十年代的“大院制”向世界名校“街区制”的发展趋势，中国高校将呈现开放式办学的全新姿态，向社会提供了交通资源、教学资源、实验资源与科研资源，这是当前中国高校开放式办学的宏观背景[1]。

随着普通高校对教学目标的重定位，特别是各类工程院校意识到培养应用型人才才能响应中国生产力提升的需求，能解决学生就业难问题，因此提出了多种新型的实践教学法，与生产需求挂钩，请企业工程师担任实践教师，围绕着生产问题而布置学习内容[2]。这样实验室从传统的理论教师安排实验项目，转变为学生根据生产需求，在实践教师的引导下，自发申请实验项目。理论教师根据学生申请，安排实验室开放时间和开放项目，学生可以在指定的时间，在企业工程师、理论教师的共同指导下开展实验。这是当前中国高校开放式办学的微观背景[3]。

综上所述，在中国高校开放式办学的需求下，高校的实验楼周边人群复杂，实验室利用率提高，实验安排繁忙，实验项目从风险可控的验证型实验向不可预见结果的研究型、设计型实验转变，从而形成了越来越难以掌控的实验室安防态势。在复杂的实验室开放环境下，一旦发生实验室突发事件时，因为校保卫处和保安公司对实验室情况不熟悉，采取错误的应对措施，就会引发严重的事故。因此在实验室事故发生时，需要采用先进科技判明事故类型，查询最佳处置预案，把事故详情通知实验室的责任人，把处置预案告知保安，并调集实验室师生前往支援。针对这一需求，应用“感知层、网络层、应用层”三层开发架构，设计了一个开放实验室物联网安防系统，将能有效地控制突发事故时的经济损失和人员伤亡[4]。

1 物联网架构的设计

本设计在实验室前端安装了各种传感器，以实现事件类型的感知。一般来说，门磁传感器被布置成有线的形式，可检测门窗在未开放时段被异常打开的突发事件；有毒气体传感器布置成有线的形式，安装于化学实验室的操作台，用于检测实验过程中操作流程错误导致的毒气泄露事件；可燃气体传感器布置成有线的形式，安装于可燃气体管道附近，用于检测实验后未关闭气管的事件；RFID传感器布置成有线的形式，分为两种，一种是915Mhz的10m距离的读卡器，用于检测贵重设备是否被带出特定实验室，一种为13.56Mhz的IC卡门禁读卡器，配合门磁传感器，可用于非法入侵实验室事件；人体红外热释电传感器布置成无线的形式，布置在交通要道处，将随着实验楼承担不同的研究任务而导致人流热点区域改变即时调整位置，可以用于检测实验楼各区域的繁忙态势，大数据分析表明，实验室的安全事故和使用人流量存在着一定的相关性；撞击传感器布置成无线的形式，用于检测敏感区域破坏墙、门、窗的事件；爆炸传感器也布置成无线形式，用于在发生爆炸事故时，分析爆炸区域和规模，快速计算疏散路径的用途；摄像头采用串口通讯的方式，用于获取突发事件发生瞬间的图像信息，以便云端可以人工检查事件类型，减少误报事故，同时事故瞬间相片也能让实验室负责老师在第一时间了解实验室的真实状态，更好指导保安采取正确的处置措施[5]。在每个实验室内各种传感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模块。MCU通过有线和无线的方式，收集传感器监测到的突发事件[6]。

在网络层，MCU把突发事件编码，拼接成“房间号，事件号”字符串，通过3G Modem，应用Socket通讯技术向云安防中心发送字符串。在实验室突发事件的同时，MCU向摄像头发出拍照指令，得到事故瞬间相片。MCU通过3G Modem，将事故现场相片上传云应用层的安防中心。随后，MCU也将报警以短信形式发送给实验室的负责教师，将事故图像以彩信的方式发送给实验室负责教师。

物联网的应用层也称为“云端”，保卫处在云端建设安防中心，收到各实验室MCU发来的报警信息后。第一步，先呼叫当班保安立即前往事故现象查看。第二步，在预案数据库检索相应的应对措施，调取师生安全员的联系方式，对所有师生安全员群发事故短信，并拨打师生安全员手机，要求师生安全员到现场协助保安处置事故。第三步，向保卫处领导，实验室相关院系领导，学校分管领导汇报警情，以备事件难以控制时，能更加有效地组织施救团队，以及大规模调动应急物资。

2 硬件开发

在本系统中，感知层有较多的硬件开发工作。每个实验室的核心MCU都要外接十多个传感器，还需要连接“3G MODEM”。因此选择飞思卡尔公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33个传感器，也可通过“MAX232”芯片发送AT指令，从而控制串口上的“3G MODEM”。“3G MODEM”选择华为公司生产的“GTM 900C”，因为内嵌了“TCP/IP”协议，使得图像上传和彩信发送较容易实现。摄像头选择深圳市高信通电子有限公司生产“GXT-Y101”的模块，其特点是可以通过串口接受MCU发出的拍照指令，又能压缩图像为JPEG格式，减少串口通讯耗时。

网络层的通讯工作主要由“GTM 900C”模块承担，内置了“增强AT指令集”，因此具有较强大的Socket通讯、短信发送、图像传递、彩信发送的功能。实验表明，在传递“房间号，事件号”短信时，只需耗时4s，以彩信的方式传递一张50 kB事故实时图像，只需耗时30s。

以MCU上传事故图像为例，完整步骤如下：（1）MCU通过IO脚检测到传感器事件；（2）MCU通过串口1，向传感器同房间的摄像头发送拍照指令“5600360100”，摄像头完成事件瞬间的图像的感知工作；（3）MCU向摄像头发出“5600340100”指令，即要求摄像头返回照片的数据长度；（4）MCU发出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求阅读摄像头的此时长度为“A4B9”的图像；（5）MCU收到图像后，发出指令“5600360103”，摄像头又恢复到待机状态；（6）MCU通过IO脚虚拟的串口2，向“GTM 900C”发送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”发送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通讯的状态设置；（8）MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的设置，即用本地的1237端口与互联网上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口发起通讯，建立UDP连接；（9） MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPSEND = "（图像数据）"”，完成事故图像向云端的安防中心的上传，传递50 kB的事故图像约18s；（10） MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切断UDP连接，进入待机状态。

3 云端软件开发

云端安防中心模块结构见图1，云端通过WINSOCK模块接收各实验室的门禁信息，通过WINSOCK模块接收各实验室的突发事件传感器信息和现场图像，通过一个“GTM 900C”模块群发调度指令给当班的保安，要求大楼保安和巡逻保安赶往出事地点，也可通过保安的手机移动APP实现对保安的调度。计算服务器接着按“房间号”、“事件号”为查询关键词，在SQL SERVER数据库搜索相应的“处置预案”，并从处置预案中获得师生安全员的联系方式，通过第二个“GTM 900C”模块向师生安全员和保安群发处置预案，要求各人员严格按处置预案开展应急措施，避免事故扩大或造成应急人员伤亡。最后实现彩信群发，向所有应急人员发布现场照片，让应急人员对现场内部状态有较准确了解。

如果学校规模较大，或是要将教室、办公室也纳入安防监控体系，可以通过增加计算服务器来提高指令发布的效率。把各计算服务器布置成并行作业的状态，每一台计算服务器都具有应急指挥的完全能力，每台计算服务器在下达应急指令过程中，从空闲状态转变为繁忙状态，由其他空闲计算服务器来响应新的事故报警。该设计使得云端具有同时应对多个事故的指挥能力，而且即使若干计算服务器突然损坏，也不会导致应急指挥的中断。实践证明，每三百个实验室、教室、办公室配置一台计算服务器，在多起突发事件同时发生时，云端仍然具有多点扑救的指挥能力。

4 结论

系统在南京理工大学紫金学院进行了测试。紫金学院采用了“项目教学法”来培养应用型人才，应用了“任务引领，实践导向”的教学思想，学生在企业实践教师的指导下，根据生产需求，自行设计了各种全新的实验项目，传统实验室管理方法无法适应实践教学的新需求。应用了基于物联网的实验室安防系统后，即使实验项目日趋复杂，也能按传感器类型对突发事件进行有效地分类，调取匹配的处置预案，更精准地指挥保安和师生安全员应对实验室事故。而且在平时，实验室安防系统可以从门磁传感器数据统计实验室的实验教学的情况，根据IC卡门禁读卡器数据计算学生实践学时和教师的实践课时，通过热释电传感器了解实验大楼的人群分布，及时调整巡逻保安的巡防区域。所以本系统不仅仅能发挥安防应急指挥的作用，也能加强实践教学的管理。

参考文献：

[1] 贯雪英. 项目管理理念应用于高中英语教学的可行性分析[J]. 学周刊， 2016（8）.

[2] 丁玉波， 王全英， 刘军帅等. 论高职油气储运技术专业的专业定位与人才培养规格[J]. 天津职业院校联合学报， 2016， 18（2）.

[3] 林宇洪， 陈清耀， 巫志龙等. 基于物联网的实验室安防报警器设计[J]. 江西科技师范大学学报， 2015（6）.

[4] 刁叔钧. 高等学校实验室建设与管理的实践与探索[J]. 实验技术与管理， 2015， 32（6）.

[5] 林键. 高校科研型实验室开放模式下安全管理[J]. 实验室研究与探索， 2014， 33（10）.

[6] 林宇洪， 沈嵘枫， 邱荣祖. 南方林区林产品运输监管系统的研发[J]. 北京林业大学学报， 2011， 33（5）.