基于WiFi的智能实验室环境监测和监控系统设计

邢 娟， 秦 丹， 战丽波

(滨州医学院基础医学院，山东烟台264003)

0 引言

随着高校招生规模和科研力量的不断壮大，实验室在高校教学和科研中的作用日益凸显，同时，部分高校在实验室安全与环境保护方面存在诸多问题，例如电气设备用电量大，线路老化、用电过载、接地不良和静电危害等用电安全隐患，易燃易爆化学危险品多，化学药品取用、保管不当以及化学气体泄漏造成的化学药品安全隐患，病原生物类实验室菌种、病毒、阳性标本以及其他生物危险因子的感染、泄漏造成的生物安全隐患，存放废气、废液、固体等废弃物的实验室仓库泄漏的造成环保安全隐患等;而且高校实验室又具有使用频繁，人员集中且流动性大的特点，大量贵重仪器设备和重要研究资料存放在实验室，这些高校实验室安全隐患，日益引起大家的关注［1-6］。实验室安全与环保工作一直是高校科研和教学的重点，根据要求实验室应建立并保持安全作业管理程序，确保化学危险品、毒品、有害生物、电离辐射、高温、高电压、撞击以及水、气、火、电等危及安全的因素和环境得以有效控制，并有相应的应急处理措施［7］。

鉴于高校实验室某些特殊设备和试剂对环境影响的要求以及师生、财物的安全防范的要求，针对现有运行中的老旧实验室不易重建，安全、环境条件无法监控的问题，结合近几年民用智能监控技术的不断发展，特制定以下环境监测和智能监控系统的设计方案，在投资最小、施工简单易行不影响教学进行、不破坏和限制现有实验室功能的前提下，实现稳定且安全有效的管理，对现有实验室进行环境实时监测和智能监控，方便日常管理以及三防的要求。

1 实验室环境监测和智能监控系统

环境监测和智能监控系统的实现是基于建立稳定的实验室网络环境，在实验室内布设无线路由器，实现WiFi全覆盖并接入互联网，实现手机和电脑实时监测和控制(见图1)。本系统主要从以下几个方面进行设置。

图1 基于WiFi的环境监测智能监控系统

1.1 电力系统监控

实验室设备用电安全是高校实验室建设与管理不可或缺的组成部分［8］。实验室电力系统，是实验室安全运行的重要组成，不但要考虑设备的利用率最大化，而且要保证设备的安全稳定运行，是实验室工作顺利进行的有力保障［9-10］。实验仪器和设备的运行情况复杂，从安全和节能角度出发，实验仪器设备在使用后要及时断电并脱离电网，但是对于部分特殊的、要求持续供电的仪器设备，例如超低温冰箱、细胞培养箱等需要安全稳定的电压供给。本设计是根据实验室电力系统的工作特点，通过改造以实现对实验室用电设备的实时监控。

(1)加装无线智能控制开关和插座。根据需要，单台用电设备包括空调和照明电路，加装无线智能控制开关和插座，并根据实验室日常具体使用时间设定电路的自动开启和关闭。

(2)主配电盘加装远程智能控制模块。设定对某一路或多路用电插座开启的时间段，在节假日、寒暑假、教学时间外实验室休停的时间段电源自动关闭。

(3)设置手机APP推送功能与远程操作控制。实时监控设备能耗和电网电压:选用某些品牌的智能WiFi开关还可以实时监控设备能耗和电网电压，减少因为工作疏忽忘记关闭电源和设备造成的设备安全隐患和电力损耗。同时若实验室用电设备短路、停电、电压异常等情况，系统将自动推送报警信息到手机APP，通知实验管理人员及时查看、维修和处理，防止因为停电或设备故障造成的损失;根据分配权限，实验室管理人员可以在权限范围内手动远程操控某一路用电设备的开启和关闭，减少直接接触强电控制箱触发危险。

1.2 环境参数的监控

高校实验室和设备材料仓库对仪器和材料的存放、运行等环境有一定的要求，例如温度、湿度、清洁度要求控制在一定范围，部分特殊实验室要求更加精密的环境参数控制。

1.2.1 温度、湿度、空气质量等环境参数的控制

对于环境参数精度要求不是非常严格的情况下，不需要单独布设线路并安装精密传感器，只需要在WiFi环境下增设环境检测仪、智能开关和万能遥控器便可以实现对室内环境的智能监控。

(1)环境检测与设备联动。通过安装无线环境检测设备联动空调、加湿器、空气净化器、排风扇等现有电器来实现环境监控和智能控制。例如设定病原学实验室操作间的室内环境条件为:温度为20～32℃，湿度为30%～50%，空气质量达到良以上，当室内温度超过32℃后环境检测仪便自动发送指令到遥控器，控制启动空调降温;当室内湿度大于50%时，系统发送指令启动空调抽湿功能以降低室内湿度;当室内空气质量下降到一定范围，系统便自动启动新风系统或通风系统，直到环境质量达到设定的范围之内。

(2)设置手机APP推送功能。设定系统报警功能，不仅可以自动控制电器运行以保障环境参数处于设定范围，还可自动向手机APP发送报警信息，提示管理人员进行远程查看或监控。

1.2.2 特殊环境参数控制

高校部分特殊实验室，因工作环境要求和精密仪器要求，需要安装特殊、高精度传感器，以实现高精度和特殊参数控制，例如甲醛、苯、氨等有毒气体和燃爆气体的检测。

1.3 智能安防系统监控

为确保实验室安全，本系统设计在无线网络环境下安装无线安防设备以实现智能安防、远程设防和远程监控功能。

(1)安装安防设备。安装安防主机、无线门磁传感器、无线烟感探测器、无线水浸传感器、无线红外传感器、无线声光报警器和无线红外网络摄像机等设备，无需布线，根据实验室结构，将设备安装放置在合理位置。

(2)系统设置手机APP推送。设置简单，所有安防功能都可以用手机或电脑客户端进行设置，对安防的时间和项目进行设置，也可以随时远程手动启动安防，真正实现智能安防和智能监控。①实时查看。通过手机APP实时查看室内视频监控，查看门窗水电状态，若室内有非法入侵者，无论触发门磁还是红外传感器都会实时传送报警信息到手机和电脑，并弹出现场照片和视频，同时触发声光报警系统提示房间有非法入侵。②设备联动。系统可设置与环境监控设备的联动，当实验室有漏水、跑水等情况，可触发水浸传感器，烟雾浓度升高到一定程度可触发烟感探测器;若电力故障设备下线会有报警提示等。

系统可根据实际需要，增减调整布控的项目，以利于最佳控制和管理(见图2)。

图2 系统布控项目

2 系统设计

根据高校实验室工作的特点和承担任务、功能的不同，结合实验室实际情况，系统的设计有不同的侧重和多种组合方式。

(1)对于化学类实验室和试剂仓库，由于大量存放使用化学试剂，有机、无机试剂的易挥发性、毒性或者易燃性极易造成火灾、爆炸和毒害，其中TVOC(总挥发性有机物)是室内空气污染的重要因素［11］，系统在设计上更着重于TVOC的监测和对环境参数的控制。通过联动空调、排风扇来控制室内温度和通风，特别是在高温的暑假，实验室内和试剂仓库的温度一定要严格的监测和控制，保证温度传感器正常工作，并有效控制联动空调和换气设备;

(2)对于对保存、取用有严格要求的危险试剂、危险生物病原体等，例如浓硫酸、生物病原菌种、易制毒管制药品等，对存放试剂所在的实验室和仓库，系统设计侧重于智能安防，应注意加装无线红外传感器、无线声光报警器或无线红外网络摄像机等安防系统，防范失窃情况发生，有效控制危险因素的取用和管理。

(3)精密、贵重设备仪器较多的科研类实验室，仪器对使用环境的要求比较高，系统在设计上，注重对环境微量污染物的监测，以及对稳压电源、APS电源等仪器的能耗和下线监测(见图3)。

图3 特殊仪器的能耗监测

3 监控系统在医学物理学实验室的实现

医学物理学实验室已经建成使用15年，实验室建设早期没有充分考虑电力容量和布线合理性，实验教学过程中主要使用用电仪器设备，且设备多需220 V和380 V强电驱动，要求保持实验室干燥，相对湿度＜75%，室温保持在30℃以内，防止潮湿、炎热、高温［12］;保障学生用电安全十分重要，是本系统需主要解决的问题。

(1)教学实验室布设WiFi网络全覆盖，编辑主控菜单(见图4);

(2)各电源插座加装无线智能控制开关和插座总控，设置控制所有用电设备;安装网络摄像机，并编辑场景(见图5);

(3)仪器仓库和精密仪器室，加装无线烟感探测器、无线水浸传感器和湿度传感器，以监测仪器仓库和精密仪器室失火、水浸的情况发生，并控制室内的温湿度。例如激光拉曼光谱仪等精密仪器使用环境需防尘、防潮，可在暑期潮湿季节根据设置的参数及时启动干燥机以达到除湿目的。

4 监控系统利弊分析及存在问题防范措施

4.1 系统功能实现简单易行

(1)虽然市场上有许多科技公司提供高端的实验室智能可视化管理及安全管理，但是这种系统从购买、安装到维护费用昂贵，适用于新建高端科研实验室，普通老旧、学生教学类实验室选择范围比较小。

图4 手机APP主控界面

图5 监控主页面和实验室监控画面

(2)本系统功能的实现可以使用目前主流的设备厂家的产品，无需使用多个APP频繁操作，目前有智能控制厂家已经将智能控制芯片植入多家主流电器和开关厂家的产品中，使用1～2个手机或电脑客户端就可以控制所有智开关和电器，成本低，安装简单，非常适用于老旧和在用的各类实验室和仪器材料仓库的远程智能监控，且在不改变实验室现有结构前提下，减少布线降低部署成本和门槛，当实验室发生变化时，传感器可灵活增删、更换，简便易行。

(3)随着互联网以及智能家居和智能安防设备的不断升级，智能监控和控制的成本会不断的降低，功能会不断的完善，且真正实现智能控制，而不是简单的手动遥控，系统会自动记录使用者的习惯和规律，自动优化设备的各种功能，节约能源，减少设备损耗，方便管理，实现科学智能管控。

4.2 系统在实现过程中的问题和防范

(1)权限的分配和管理。手机APP查看和控制权，只分配给实验室主任和技术人员，其他无关人员无权查看和控制。实验室技术人员通过对应账号登陆系统实现管理。监控、安防等在线设备查看、添加、删除或者使用其他终端登录，都需要通过实时验证码授权用户，以保证安全。

(2)网络安全和维护。系统基于WiFi设计和建设，网络安全稳定以及手机APP端的访问控制和加密非常重要，实验室技术人员需定期检查网络、升级产品固件并修复漏洞、控制风险。

(3)需与其他方式的实验室安全措施结合，协同作用。实验室安全管理是一项综合管理体系，包括完善的管理体制、健全的管理制度、安全教育制度和可靠的安全技术［13］，例如:建立有效的实验技术人员的定期安全考试制度、编写学生实验安全教材，增设学生安全教育课，建立实验室安全准入制度、安全巡视制度等［14-16］。本系统的建设，是在注重建设成本，结合老旧实验室现有功能的基础上进行的，但还不够完善，应与其他方式的实验室安全措施相结合。根据实验室工作性质和要求，例如配置灭火器、灭火毯、消防栓、静电消除系统等，各种安全系统和方式合理组合，同时提高实验室管理人员的责任感，以全方位保证实验室安全，达到最佳效果。

5 结语

高校实验室的安全，是实施人才培养和科学研究的根本保证，根据实验室安全需要而设计的基于WiFi网络的实验室环境监测和智能监控系统，已经在我校多个教学实验室、科研实验室和两个危化品存储仓库、废液回收存放仓库成功实施和运行，在投资小、简便易行的前提下实现了有效管理，实现了实验室的环境监测和智能监控。希望本系统的实施，为高校实验室的安全运行，提供有益的参考。