基于物联网技术的实验室控制系统的设计与开发

2019-05-23农春仕徐波

电脑知识与技术 2019年8期

农春仕徐波

摘要：本系统以OneControl智能控制系统为依托，实验室现有网络为通信基础，通过云平台，系统提供对OneControl智能网关以及通过网关接入的各种主流厂家的有线、无线传感器及视频监控的管理控制，通过移动终端等远程访问和控制智能化系统。本项目中实现了对照明管理、有机气体监控、大型仪器工作状况监控、火灾监控、视频监控等方面功能。

關键词：OneControl智能控制；物联网；远程访问

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0019-03

Design and Development of Laboratory Control System Based on Internet of Things Technology

NONG Chun-shi，XU Bo

（ Laboratory and Base Management Office，Nanjing Forestry University Laboratory ，Nanjing 210032，China）

Abstract：The system is based on the OneControl intelligent control system， The existing network of the laboratory is the communication foundation. Through the cloud platform，the system provides management control for OneControl smart gateways and wired， wireless sensors and video surveillance from various major manufacturers accessing the gateway， implements remote access and control intelligent system through mobile terminals etc.The project has realized lighting management， organic gas monitoring， large-scale instrument working condition monitoring， fire monitoring， and video monitoring.

Key words： OneControl intelligent control； Internet of Things； remote access

1 引言

国内高校实验室安全事故时有发生，安全状况不容忽视。近年来发生了诸如：2016年9月21日，东华大学松江校区化学与生物工程学院实验室发生爆炸致；2016年1月10日，北京化工大学实验室着火；2018年11月11日，翰林学院发生爆燃事件，高校实验室安全再次成为关注点，教育部重申高校要加强实验室安全管理。目前实验室安全管理的手段几乎还是集中在实验室消防、硬件设备配置、实验原料等管理方面，这些手段大多集中在事前预防和事后补救，对于环境、设备的实时监控、事故苗头出现时的隐患消除都缺乏有效的处置手段。因此，研究制定一套可以代替人工监管并能自动根据环境和设备运行情况处置各类危险状况的技术或方法非常必要，这样既可以极大地提高实验室安全，又可以节约人工成本提升实验室安全事件的响应速度，最大程度地降低损失。

现有的实验室安全管理手段更多从实验室硬件建设上考虑，管理软件则更多采用的是门禁系统、消防系统、样品的安全、仪器的安全、环境的安全、视频监控等模块的功能集成，管理途径过分依赖管理员。针对各类设备之间的智能联动策略的研究，实时调节实验室环境、安全隐患第一时间及时发现并利用现有设备自动控制隐患、异常情况实时远程报警等方面鲜有考虑。

开发本系统的目的在于克服现有技术的不足，提供一种物联网技术的实验室安全管理平台，实现对实验室的全面安全管理。

2 技术方案

本文着重介绍基于OneControl平台的多类电器综合管控方案。介绍如何使用OneControl物联网平台，以灵活的通信接入方式，给客户提供灯光、空调、通风、电源、水源、门禁等控制功能（就地控制+远程控制+自动控制）。

OneControl系统是一个综合性的控制系统，可涵盖空调、地暖、新风、照明、节能等各种远控功能，可以让用户通过手机、PAD、PC等多种方式进行控制和管理，也可以在环境传感器和逻辑编程控制器的作用下，自动执行各种任务。

实验室的监控设备包括：智能移动设备（如：智能空开、红外空调控制器、智能插座（监控大型仪器）、智能开关、窗帘电机、红外人体感应、空气质量传感器、光照度传感器、烟雾传感器、现场各类有机气体传感器等）、可编程逻辑控制器PLC、摄像头等。

本地智能网关与远程服务器有线或无线连接；本地智能网关与可编程逻辑控制器PLC电连接，可编程逻辑控制器PLC与强电设备电连接，摄像头与远程服务器无线连接；本地智能网关包含数据采集软件，具有实时数据监测模块、实时报警模块和智能联动模块、数据查询模块。

摄像头将实时采集的实验室现场图像发送给远程服务器；可编程逻辑控制器PLC用于控制强电设备并采集强电设备的工作状态数据回传给本地智能网关；本地智能网关用于将现场智能移动设备和可编程逻辑控制器PLC发送的设备的工作状态数据转发给远程服务器。

远程服务器中安装有实验室物联网安全管理平台系统，实验室物联网安全管理平台系统用于对智能移动设备、可编程逻辑控制器PLC、强电设备、摄像头等在线监视控制，并对各类设备发送的数据进行解析、处理、分析、联动。实验室物联网安全管理平台包含网关数据采集模块、数据处理模块、系统配置模块、人机界面设计工具、联动设置模块、脚本计算模块、数据存储模块、数据分析模块、报警模块、手机APP、微信发布模块。实验室物联网安全管理平台系统预留数据接口，数据接口用于后续实验室接入时的软硬件接入。

3 解决方案

本系统针对实验室不同负载类型选用合理控制方式：用可编程逻辑控制器（PLC）完成灯光自控，可燃、有毒气体浓度监测及排风控制，插座及实验室总电源控制；空调远控接入OneControl智能控制系统进行远程监测及控制。控制系统如图2所示。

该设计方案的特点是设备智能化控制、集中控制、条件联动，且具有强大的接入能力，可接入中央空调、智能门锁、照明、水电综合控制，所有设备均可远程通过PC、手机、PAD等完成状态监测、控制。同时可扩展性强，后期可灵活扩展接入其他设备，性价比也比较高。

系统中对照明的控制是更换原有断路器为智能断路器，可以进行就地及远程操作，并进行实时状态监测。

经现场考察实验室内气体环境复杂，而单一的有毒气体探测器只能检测一种气体。现针对空气中有毒气体大多为有机物的特殊情况配备VOC（可挥发性有机化合物）探测仪。

在实验室安装可燃气体探测器装置和有毒气体探测器，实时监测空气中可燃、有毒有害气体浓度，PLC根据所读取浓度数据自行启、停排风装置。PLC与现场排风控制箱连接，以保留现场及远程的手动启停功能。

在此方案中以现场可燃、有毒气体浓度自控为优先级，即可燃、有毒气体浓度高于设定值时无法完成手动停止排风机，更大程度保证安全。另风机电源独立控制（保留风機电源空开），不受实验室总控开关控制，以保证风机电源的接通状态。

当监测到可燃、有毒气体浓度高于警戒值时，OneControl智能控制系统会通过发送手机短信和APP推送的方式通知用户。

手机端开发如图3、4、5所示：

在系统首页面中我们提供了对所有设备的全开/全关操作，显示了当前实验室的温度、VOC值、光照度以及可燃气体的浓度等，通过首页面我们可以总体的了解该实验室设备的“在线”状态。

4 结语

目前该系统只是一种技术验证设计方案，我校共有500多间实验室，其中有一半以上的化学生物类实验室，以及分散在全校的大型仪器。未来我方向是通过该物联网技术把全校的大型仪器的管理和共享以及化学生物类实验室全部纳入该系统，并分析各个实验室的特性指定特定的部署方案。