基于物联网技术的化学实验室安全监控系统设计与实现

骆方舟

(黎明职业大学，福建 惠安 362100)

0 引言

物联网又被称作传感网，是在互联网的基础上建立起的智能网络，是为了实现物与物、人与物的智能通信[1]。物联网是通过无线传感技术，利用红外感应器、射频识别、激光扫描器、全球定位系统等信息传感设备，将信息进行接收和传送，将世界上的人和物进行全面的覆盖，利用各种传感信息和网络相关设备进行连接，形成一个大网络信息系统[2]。物联网强调物与物之间、物与人之间的信息共享和自动交互，无论任何事物，只要在它的内部嵌入一个微型感应芯片就可以将它变得智能化、可控化，再利用无线传感网络系统将该事物变得可视化，进而对得到的信息进行识别、定位、监控、管理[3]。物联网具有成本低、功耗低、网络容量大、组网自适应等特点，可以广泛应用在监控领域和自动控制领域等[4]。基于物联网技术的安全监控系统通过传感器网络对各类监测参数进行实时采集，利用网络将相关状况信息传递至监控平台，及时实现人与物的信息交互，对相关区域进行智能化管理和维护。若仪器设备出现故障或环境相关数值高过一定标准时，系统将进行预警和报警，降低事故发生率，提高修复速度[5]。

化学实验室是高校、科研机构的重要组成部分，可以用于开展人才培养、科学研究等活动[6]。化学实验室中存放着大量的化学药品，其中一些药品甚至是易燃、易爆、剧毒的，存在着很大的安全隐患，很容易发生火灾、爆炸[7]。并且有些化学实验室中还要高温、高压、真空等特殊条件的操作，操作过程中可能会造成人员伤害[8]。目前，化学实验室的安全防范措施比较落后，防火系统、防盗系统等各个监控系统之间独自运行，无法达到统一管理。并且系统容错性较差，当相关的传感器出现故障时，系统无法接收到相关信息，维护难度较大[9]。化学实验室的仪器设备对环境参数要求较高，一些仪器甚至对温度、湿度、光照等因素也有特殊要求。

实验室安全监控包括对环境数据的监控、对仪器设备的监控、对实验室人员的监控。建立基于物联网技术的化学实验室安全监控系统就是通过物联网技术对化学实验室设备、仪器、人员进行监控和管理，在仪器、设备上安装微型芯片，利用无线传感技术将各种设备和控制主机连接起来，实现互相通信，它的终端可以是计算机、手机等客户端，实现对物体的识别、定位、管理和监控。本文基于物联网技术将化学实验室安全监控系统进行硬件和软件设计，根据所设计框架阐述了化学实验室安全监控系统的工作流程，通过实验验证了所建设的安全监控系统的可行性。

1 基于物联网技术的化学实验室安全监控系统硬件设计

传统的化学实验室安全监控系统硬件设备主要包括监控摄像头、温湿度计等设备，通过监控摄像头拍摄下化学实验室中的各种动向，对化学实验室的出入人员进行记录。但是，单纯的视频监控，还需要人工实时监控观看、手动进行调阅，不仅占用大量的人力资源，还无法保证对实验室的实时监控，当事故发生时，不能第一时间做出反馈，及时拿出解决方案[10]。并且管理人员无法远程获取化学实验室湿度、温度、烟雾浓度的具体情况，使得化学实验室的安全管理上存在着很多问题，化学实验室的安全性得不到保证[11]。

为此，本文设计了一种新的化学实验室安全监控系统，硬件设计结构图如图1所示。

图1 化学实验室安全监控系统硬件设计结构图

图1为基于物联网技术的化学实验室安全监控系统硬件设计结构图，可以看出该安全监控系统的硬件设备可以分为数据采集、数据处理、数据输出3个板块。

1.1 数据采集板块设计

数据采集板块是物联网体系中的最底层，由各类传感器、视频监控设备组成，是完成物与物之间、人与物之间进行对话的前提和关键。传感器节点是整个传感器系统的基本组成单元，它们用来采集化学实验室化学药品储存监控的情况以及实验过程中的仪器设备和对人体健康危害的异常状况。这些传感器包括温湿度传感器、压力监控传感器、烟雾传感器、电化学传感器、电流电压传感器、人体红外传感器等。温度传感器可以对化学实验室冰箱低温储存进行监控，压力传感器对化学实验室中易燃、有毒气体钢瓶压力进行监控，电化学传感器可以用来对易燃易爆、有毒有害物质进行监控，而电流电压传感器将高电压转化成一定的低电压来进行测量，防止过大的电流或电压造成仪器损坏及人员伤害。将这些传感器与特定的实验室仪器、设备绑定，如真空烘箱、离心机、水质分析仪等仪器，组建成化学实验室的检测节点，对仪器设备进行实时监控和管理，并且可以将化学实验室的温度、湿度、压力、烟雾浓度、电流、电压等信息进行全面采集，实时监控化学实验室中的相关数值是否超标[12]。传感器内部的微型传感芯片是美国TEAs公司生产的touras芯片，该芯片具有体积小、电压低、功耗低、性能高的优点，最高工作主频可达到8 MHz，工作延时较短，只有3μs。视频监控设备是通过ZC115型摄像头进行视频信息的采集，将录制的视频文件进行压缩，传递至视频处理器中[13]。ZC115型摄像头是一种高分辨率、高捕获速度、高像素的数字摄像头，由并联电路进行图像捕获。视频监控系统将录制的视频文件进行压缩，有利于保证录像的清晰度和效果[14]。

1.2 数据处理板块设计

第2个板块是数据处理板块，包括中心控制基站和处理器。中心控制基站用于接收感应器节点采集的信息，并将其进行初步处理，再将整理后的信息压缩成数据包，传递至处理器进行下一步处理[15]。处理器分为传感器处理器和图像分析处理器。传感器的处理器将各类传感器采集的信息进行进一步处理，并且将数值与预设值进行比较，通过网络转发至远程监控客户端以及报警器系统。图像分析处理器主要用于处理视频监控设备收集的视频信息，处理器将压缩后的视频信息进行分类处理、整合、储存，传递至手机、计算机等终端，实现远程监控和管理[16]。数据处理器是由丹麦VRA公司研制的最新的RC2450型处理器，它对数据信息的处理、储存等功能可靠性高达98%。

1.3 传输应用阶段

第3个板块——数据输出板块则是传输应用阶段，在这一板块中，通过网络将处理后的信息传递至化学实验室管理人员的计算机客户端、平板客户端、手机客户端，使其对化学实验室安全进行实时监控，若实验室存在安全问题则会及时做出提醒，并且化学实验室的报警器发出报警信号[17]。预警报警包括多种，例如实验室声光报警、电话短信实时报警、监控软件系统报警等。此系统可以及时发现问题，当出现大的问题时，可以及时安排人员撤离现场，保证其人身安全[18]。

2 基于物联网技术的化学实验室安全监控系统软件设计

图2为基于物联网技术的化学实验室安全监控系统软件设计结构图。如图2所示，基于物联网技术的化学实验室安全监控系统软件工作是一个较为复杂的过程，主要分以下几个步骤：

1)化学实验室安全监控系统利用传感器系统和视频监控系统进行数据采集。系统中的各类传感器之间相互独立，互不影响，这些传感器信号对化学实验室各个设备及环境状况进行实时监控。传感器分为休眠和正常两个工作模式。当没有数据传送的时候，传感器处于休眠状态，数据采集模块则处于低电流接收状态；当有数据传送存在时，系统会接收到采集命令，传感器开始进行数据采集，并发出指令进行记录。此过程是针对多目标进行的，因此采集量很大。视频监控系统中，使用ZC115型摄像头的驱动，针对嵌入式环境，将摄像头采集到的视频信息进行加工处理，传递至处理器[19]。

图2 化学实验室安全监控系统软件设计结构图

2)中心控制基站是传感器系统的中心节点，是前期数据采集和后期数据处理的中间桥梁。在这一阶段中，基站接收到各个传感器传递过来的各类信息，将信息进行初步分类整理，根据需求将各个信息进行初步分析后，传递至传感器对应处理器，进行进一步处理。

3)将中心控制基站处理后的传感器采集的信息和视频监控系统采集到的视频信息传递到处理器后，处理器将这些信息进一步处理，将各类信息都转化成数据信息，将各类数值与预设预警和报警数值进行比较[20]。其中，传感器处理器是将传感器信息进行序列分析，对温度、湿度、压力、烟雾浓度、电流、电压等数据进行分析，如果出现了异常峰值并且持续时间过长超过阈值，系统将自动启动相关应对措施，并且将信息进行反馈。视频监控系统对应的视频处理器则是将视频进行序列分析，利用特定的算法，将出现在视频中的人员具体情况进行数字图像处理，对人员进行计数，并对人员移动速度进行记录和分析[21]。

4)将处理结果进行区别处理，根据实验室具体情况对结果进行分级。当输出的数据超过预期设定的预警或者报警值时，报警系统将会驱动报警装置，发出报警信息，并将信息传递至相关维保单位进行情况紧急处理，解决安全隐患。与此同时，监控软件和管理人员手机会先后收到报警信息，提醒化学实验室人员及时处理相关问题或快速撤离实验室。无论处理结果是否超过预期设定的预警或者报警值，化学实验室的实际运行情况都会传递到相关负责人的通讯软件及手机短信上，实现对化学实验室的实时监控。监控程序可以进行人工控制和自动逻辑，可以对安全监控的历史数据进行查询并且显示相关仪器设备的状态。

3 实验研究

为了检测本文设定的基于协同过滤的电子商务平台个性化推荐模型的推送效果，与传统推送模型进行了对比，设计了对比实验。

3.1 实验参数

实验参数见表1。

表1 实验参数

3.2 实验过程

根据上述设定的参数进行实验，将传统的化学实验室安全监控系统和本文的安全监控系统进行比较，分别记录安全监控系统的花费成本、安全监控系统分析结果的精密度实验结果，根据两个实验结果分析两种化学实验室安全监控系统的工作效果。

3.3 实验结果与分析

得到的实验结果如下。

3.3.1 安全监控系统花费成本实验

观察图3，随着化学实验室安全监控系统覆盖面积的增大，建立系统花费的成本也会增加。安全监控系统覆盖不同面积时,传统的安全监控系统与本文的安全监控系统所花费的成本对比见表2。

3.3.2 分析结果精密度实验

由图4可知，随着化学实验室安全监控系统的使用时间的增长，分析结果精密度会有所下降。随着安全监控系统使用时间的增长，传统安全监控系统与本文安全监控系统的信息分析结果精密度对比见表3。

图3 系统花费成本实验

图4 分析结果精密度实验

系统使用时间/月传统的安全监控系统的信息分析结果精密度/%本文的安全监控系统的信息分析结果精密度/%496.099.01293.096.02085.093.02879.589.5

3.4 实验结论

根据上述实验结果，得到如下实验结论：传统的化学实验室安全监控系统和本文的化学实验室安全监控系统在一定程度上都能够保证化学实验室的人员安全，减少安全隐患，但是基于物联网技术的化学实验室安全监控系统运行花费的工作成本要远远小于传统的化学实验室安全监控系统，并且，该实验室安全监控系统的分析结果精密度高于传统的实验室安全监控系统，精密度保持时间较长，并且维护方式简便。

综上所述，本文基于物联网技术建设的化学实验室安全监控系统成本低、耗时短、效率高、精密度高，能够有效降低人工劳动强度，具有很好的发展潜力。

4 结语

物联网是泛在网应用形式的一种，它融合了互联网技术、无线传感网络技术等多种技术，在开发实际应用系统时有很好的创新指导作用。物联网的产生被誉为世界信息产业发展过程中的第3次信息技术的变革，也是在互联网的基础上的深层次的应用拓展。化学实验室使用较为频繁、人员较为集中、人员流动性较大，化学实验室中存放有大量的贵重仪器、化学药品以及一些重要的技术资料，但是化学实验室中存在火灾隐患、爆炸性隐患、毒害性隐患、机电性隐患、失窃性隐患等。火灾性事故发生较为普遍，几乎各个实验室都可能发生，忘记关电源、操作不慎或使用不当、线路老化、超负荷运行都可能会造成火灾。而由于化学实验室中存放着大量易燃易爆的物品，火灾往往会伴随着爆炸事故，这就增大事故造成的损失。并且设备老化造成易燃易爆药品泄露，在一定温度和压力作用下很容易造成爆炸。化学实验室使用的化学药品或多或少都有一定的毒性，并且化学反应也会产生一些易燃、易爆、有毒的气体和产物，因此毒害性事故也多有发生。

将物联网技术应用于化学实验室安全监控系统中，就是将目前多种较新的网络技术，与安全监控相结合，构成的系统体系不仅充分利用了现有的资源，降低了构建所需的成本，还可以基于物联网有效地实现化学实验室防毒、防火、防爆、防盗等的安全目标，实现全天候、智能化、实时性的安全报警和远程监控功能。将物联网技术应用于安全监控中，不仅拓宽了监控的视角，大大降低了对距离、空间的限制，实现远程监控，还有效解放了人工劳动力。在出现这些异常情况之前，例如出现电炉超高温而引起环境温度异常，冰箱异常断电导致超温等情况时，在基于物联网技术的化学实验室安全监控系统的监控下，系统会产生预警和报警，将报警信号传递至化学实验室管理人员的相关客户端，相关人员做出相应措施。这样既能保护相关设备、药品安全，减少损失，还能保护实验室安全，避免造成人员伤害。

本文的化学实验室安全监控系统虽然具备一系列优点，但是现阶段仍缺少一定的实际操作基础，在未来的使用中可能会存在一些潜在问题，需要进一步研究和探讨。