基于信息化平台的高校实验室监管系统研究

2022-09-26黄浪尘周文柱

自动化与仪表 2022年9期

许诺，黄浪尘，周文柱，李通

（湖南工业大学电气与信息工程学院，株洲 412007）

随着国家积极推进新工科建设，借助高等教育促进产业变革与社会发展，各大高校纷纷响应号召，将理论教学与创新实践相结合，致力于培养学以致用、适应社会需求的新工科人才[1]。高等教育的发展促进了高校实验室的建设，近年来，高校实验室的数量、种类与规模都在不断扩大，与此同时，实验室安全与管理问题频频发生，教学与科研事故也时有发生[2]。实验室是高校教学与科研的重要场所，确保安全有序地建设与使用高校实验室，要在实验室环境监测，实验室日常使用管理两方面着手。

实验室中的实验用品种类繁多、关系复杂，生物、化学等专业的实验室更是不乏有毒有害、易燃易爆的实验试剂与实验气体。即使该类危险实验用品有专门的储存环境、取用剂量和使用流程，但由于高校实验室的实验操作人员多是学生，其安全意识、实验技能都有待提高[3]，因此高校实验室存在客观的安全隐患。为了改善高校实验室的安全与管理问题，最大程度降低实验室事故的发生，急需一套新型安全监管平台，清除安全隐患。

1 平台架构

平台下位机由多种环境监测传感器组成的监测模块和用于应急行动的救援组件构成，在STM32的控制下，通过WiFi 模块连接路由器，实时上传实验室中的监测数据；上行数据流由MQTT 消息代理服务器集群接收，并将其过滤后分发给云服务器中不同的消息订阅者；上位机中的微信小程序通过云函数将云服务器中的环境数据显示在终端界面上。用户通过终端页面发布下行命令，通过MQTT 消息代理服务器集群将命令传到所在的实验室，驱动排气扇等组件工作。平台架构如图1 所示。

图1 平台架构图Fig.1 Platform architecture diagram

1.1 终端模块

考虑到高校学生用户的实际情况，终端软件采用微信小程序开发。微信小程序具有无需下载安装、可跨平台运行的优点，相较于专门的手机APP或Web 网站而言更加轻便高效；同时微信小程序开发成本较低、开发效率更高，结合微信小程序云开发方式可以满足平台的各种功能需求。

微信小程序模块主要包括客户端、云服务器、数据源3 个部分。小程序客户端通过框架开发，其中框架由视图层（View）和逻辑层（App Service）两部分构成。视图层采用WXML 和WXSS 编写，用于前端页面的渲染展示；逻辑层采用JavaScript 编写，负责客户端的数据处理和事件反馈。云函数在云服务器的Node.js 环境中响应前端调用，借助云服务提供的丰富的API 接口实现各种功能。数据源包括数据库和云存储两部分，平台数据以JSON 格式存储在数据库中，文件存储在云存储中并将该文件唯一标识符返回存储于数据库中，客户端通过云函数调用数据库及云存储中的数据并返回展示在前端界面上。微信小程序架构如图2 所示。

图2 微信小程序架构图Fig.2 WeChat applet architecture diagram

1.2 通信模块

（1）WiFi 模块。平台采用ESP8266 WiFi 模块实现下位机与服务器的通信。ESP8266 WiFi 模块使用串口与单片机通信，采用TCP/IP 协议栈，可以实现串口与WiFi 之间的数据转换，该模块供电范围为3.0 V～3.6 V，供电电流需大于500 mA。 ESP8266 WiFi 模块可以通过ESP-AT 指令固件为STM32 单片机提供WiFi 连接功能，该模块具有体积较小，性能稳定，运行功耗低等优点。它支持3 种工作模式，即STA，AP 以及STA+AP 模式，平台主要采用STA 模式，通过路由器与互联网连接，在手机终端可以通过互联网接收下位机监测数据以及远程控制下位机工作。

（2）MQTT 消息代理服务器。 MQTT（message queuing telemetry transport——消息队列遥测传输）是IBM 公司发明的一项应用于物联网通信的消息传递技术。 MQTT 是基于发布与订阅模式来进行通信及数据交换的一种消息代理服务器。订阅者向MQTT 服务器订阅一个主题，MQTT 服务器会将接收到的该主题下的消息转发给该主题所有的订阅者。MQTT 消息代理服务器也称为MQTT Broker，它可以是运行了MQTT 消息服务器软件的一台服务器或一个服务器集群。 MQTT Broker 负责接收来自客户端的网络连接，并处理客户端的订阅与取消订阅、消息发布等请求，同时也会将客户端发布的消息转发给其他订阅者[4]。

1.3 监测模块

平台的监测模块是一组由多种环境传感器组成的传感器阵列，监测模块负责实验室环境数据的采集，其中环境数据包括温湿度、烟雾、甲烷、氢气、一氧化碳浓度等。温湿度采用DHT11 数字传感器监测[5]，气体主要采用MQ 系列气体传感器监测，在20 ℃，55%RH 标准下，各种环境指标及其对应的监测传感器量程如表1 所示。

表1 监测传感器选型及其量程Tab.1 Monitoring sensor selection and its range

为提高测量精度，同一实验室内安装多部传感器，上位机接受到测量数据后，需要对多条数据进行数据融合处理。采用支持度函数算法为多条测量数据分配权重[6]。

对于有n 个传感器，n 条测量数据为T1，T2，…，Tn。传感器间的相互距离为Dij，其中i，j∈（1，n），i≠j。对相互距离进行归一化处理，如式（1）所示：

式中：dij越大，表示两传感器间距离越大，其测量数据的相互支持度越低，定义支持度函数如式（2）所示：

式中：Sij表示传感器i，j 之间的支持度，Sij∈［0，1］；a为一常数。

定义一致性函数如式（3）所示，用以表征第i 条数据与其他数据的一致性。对于一致性较大的数据，应给予较大的权重，定义第i 路数据所占权重Qi如式（4）所示：

于是对于n 条测量数据综合各自权重的最终融合数据如式（5）所示：

2 平台功能

平台总体功能如图3 所示，分为监测保护与管理教学两部分。在监测保护界面用户可以查看实时环境数据、接收环境预警信息、开启通风设施等；在管理教学界面，用户可以进行签到考勤、登记使用仪器与试剂、参加安全教育等操作。

图3 平台功能Fig.3 Platform function

2.1 数据监测

如图4 所示，用户进入“实验室助手”平台，点击底部“安全监测”栏，选择所在的实验室，可以在“实时数据”一栏查看实时环境数据，点击“历史数据”一栏，可以看到过去6 小时的数据统计折线图。

图4 环境数据监测功能Fig.4 Environmental data monitoring function

2.2 预警报警

当某类气体的数值达到预警阈值时，平台将自动开启排气扇等应急设施并立即向用户和实验室管理员发送预警信息，提醒该类气体达到预定警戒阈值，要求排查处理。当该类气体浓度继续提高达到报警阈值时，平台将自动开启所在实验室的声光报警灯，并给用户发送撤离实验室的警告信息。如表2 所示，在20 ℃，101.325 kPa 下，设置预警阈值浓度为该种气体爆炸下限浓度[7]或国家规定下限浓度的20%，报警阈值浓度为该种气体下限浓度的50%。

表2 预警报警阈值Tab.2 Early warning alarm threshold

2.3 签到考勤

实验人员也是实验室安全隐患的一个主要来源，应该防止非实验人员擅自进入实验室以及记录实验人员日常签到数据。如图5 所示，用户在“日常管理”栏进行签到考勤，对应的身份信息和签到的时间地点会被保存到云端数据库中，实验室管理人员可以在后台查看考勤记录，用户也可以在“我的主页”查看自己的考勤记录。

图5 实验室管理功能Fig.5 Laboratory management functions

2.4 使用记录

实验室中的一些珍贵仪器应该在实验室管理人员批准后才能使用；一些危险或昂贵的试剂、药品等也应该在管理人员授权下按规定流程和规定剂量使用。实验人员需要先在平台上申请相应仪器或试剂后才能使用，如果所申请的仪器有质量问题或缺少相应试剂，则可以在平台上报修仪器或报缺试剂，通知实验室管理人员处理。

2.5 安全教育

许多实验室安全事故都是由于实验人员的操作不当或者安全意识淡薄造成的。实验室安全监测与管理平台的主要用户为高校学生，用户群体实验技能薄弱，实践经历较少，安全意识不够到位，因此平台应当具备实验室安全教育与实验技能培训功能。平台设置最少学习时间，学生进入实验室前必须完成平台分配的学习任务，系统地学习实验室安全知识，保证实验室安全教育培训效果，降低学生在实验操作中的潜在安全隐患[8]。

3 平台测试

平台下位机在湖南工业大学电气学院电子控制实验室部署测试。下位机采用2 节3.7 V 锂电池供电，采用STM32F103C8T6 核心板控制，主要传感器包括温湿度传感器、烟雾传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器等。下位机实物如图6 所示。

图6 平台下位机Fig.6 Platform lower computer

（1）环境监测与上行数据测试。从微信小程序“安全监测”界面读取7 个时间点的温度数据作为测量值，用水银温度计测量对应时刻的实验室温度作为标准值，测试数据与标准数据对比如图7 所示。从对比图可以看出，测量值与标准值的误差在±2%范围内，该误差范围可以满足实验室日常安全监测所需精度。选取实验室常见气体一氧化碳与甲烷进行实时取样监测，测量数据如图8 所示，监测读取与数据上行正常。