高校实验室危化品智能专用柜及管理系统设计

郑宏，房亚兵，李孟昕，刘志远，刘睿萍

（齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学部，山东 济南 250353）

0 引言

近年来，随着我国科研水平的提升，高校使用的危险化学品的种类及数量呈现逐年递增的趋势。但在高校实验室安全事故中，因危化品管理不当引发的事故占76%以上。因此，危化品管理是高校实验室安全管理的重点。

基于目前市面上现存的危化品储存柜的价格昂贵、智能化程度低、缺乏对危化品全流程的安全管理和监测，因此，本项目拟设计研发一种可回溯[1]、可预警、可降险的智能危化品安全专用柜及其配套的管理系统，并集成物联网模块，全方位、全流程实时跟踪监测危化品的存储、使用及其废弃物的处理和回收，从而实现对危化品的智能化、精细化管理。

1 整体设计

1.1 危化品存储柜总体外观设计

专用柜根据危化品的化学性质分为黄色、红色、蓝色、灰色以及白色5 个分柜，分别代表易燃化学品存储柜、易爆危化品存储柜、腐蚀性化学品存储柜、易制毒化学品存储柜、压缩/液化气体气瓶存储柜，分柜通过云端进行统一管理和数据实时录入，其外观整体图如图1 所示。

图1 专用柜外观整体图

1.2 内部机械结构设计

每个柜体内部均采用多宫格式分布，将柜体分为多个方格体[2]，每个单元格都单独存放一种化学试剂，便于实现危化品分类存放及用户快速精准地查找。

危化品储存柜分为外部壳体和内部储存格，两者之间设有对应的卡槽，实现分柜模块化组装。内部储存柜门上装有小型电子锁，通过蓝牙通讯信号与触控平台终端连接，控制电子锁开关，实现精准取用试剂。每个方格底部放置一个盘底空腔，空腔底部内侧壁紧贴着弧形的储油室，顶部连接有顶杆，顶杆顶端设有防滑、防腐蚀的环氧脂置板，用于放置试剂瓶。底端内部设有隔油柔性板，可有效缓解托盘上部的冲击力，保证托盘上物体的稳定性，降低危化品被损坏的风险。顶杆与隔油柔性板接触的位置通过弧形压板连接，减少连接处的应力集中。柜体内侧中部设有承托板，顶端和承托板底部都安装低能耗的LED 灯管，提供照明。正面开口的柜体设计对称的门板，采用高强度材料和测试合格的结构设计[3]，增强其使用的安全性，其内部结构如图2 所示。

图2 柜体内底部结构图

2 柜体外部危化品废弃物的收集装置及回收系统设计

危化品废弃物即 “三废”[4]指的是废气、废液和废物。由于实验室中的有毒有害物质具有不确定性、多变性和复杂性，为确保实验室环境安全，危化品废弃物的处理和可控回收是关键的一环。

2.1 废气的收集和安全处理装置设计

2.1.1 通风及废气收集装置设计

为了防止挥发性危险气体的泄漏，在各小型存放区域的背部设置了一个带有电动风扇的吸气口，与废弃物储存柜相连。

废气收集装置用于收集和处理在实验过程中产生的废气，避免其对人员和环境造成危害。有害气体通过吸气口、气体通道，设有削弱毒性的液体过滤层和防止气体泄漏的煤油保护层的废弃物储存柜内，从而确保安全回收有害气体。

2.1.2 废气安全排放系统

废气排放系统包括用户身份验证、智能操作控制系统等模块，实现了高效净化排放和可视化实时动态监测。

将气体类别输入显示屏信息栏中，当危险气体进入装置后，安装的气体分析仪器对气体性质进行检测分析，确定合适的氧化剂或还原剂后，释放在柜体中。废气中的有机物、酸、碱等与其进行化学反应，从而实现废气过滤净化，经处理后的无害化气体经通风口排出，实现废气排放。柜内底部设置了泄漏检测仪，其具有两个对称的检测头，可快速检测出柜内气体的泄漏。

2.2 废物废液的收集回收装置及系统设计

2.2.1 收集装置的结构设计

危化品回收装置内部分为两层，并安装特有的信息分析检测装置，柜体可自动打开顶盖，固态危废品放入固态存放层，液态危废品放入液态存放层。废弃物和废液进入柜体后，可通过位于两个存储层中的pH 传感器、温度传感器、液面传感器[5]等对其进行实时监控，并将监控数据传输到平台终端进行分析，当检测信号超出阈值时，立即向管理员发出警报，进行相关处理。

2.2.2 废物废液回收系统的设计

（1）危废品的处理回收总体流程

固液废物回收系统包括用户身份验证模块、智能操作控制系统等模块，运用全反射X 射线荧光光谱仪（TRXRF）[6]、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[7]对废物和废液进行数据解析。

（2）具体实施方式

在危化品柜体外侧所安装的专用于回收的柜体内部分两层，并安装特有的信息分析检测装置[8]。对废弃物的回收，管理人员先在柜体外侧的数据屏上输入所要放入的废物分类（固液、酸碱等）信息，柜体内部根据录入信息发送命令请求，WIFI 通讯模块接收到服务器发来的命令请求，并将该请求发送给控制模块，控制模块向电机发出信号，驱动电动伸缩杆将所需要的回收平台从密集架搁板上向外推出一定距离，形成自动回收平台。对废液的回收，利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[9]，管理人员需将液体倒入液体回收平台，系统感应检测后，分析处理所得数据。两项技术在对废物废液数据分析后，将自动投放进合适的回收箱中，实现废液废物自动归还，处理流程如图3 所示。

图3 废物废液处理流程图

2.3 排放回收平台的信息记录与监测

此部分主要用于对废气、废物及废液信息（物理、化学性质、主要成分、剩余质量、是否回收等）实时记录，并通过云端输入到柜体外侧显示屏以及移动端或电脑端APP 上，可以实时监测数据的真实性与可靠性。

3 智能柜体管理系统业务的设计与实现

智能管理系统业务可实现身份核验、权限检测、智能操作、采购和使用记录、内部监控、全流程动态监督和管理等功能。

3.1 主控系统总体架构

主控系统是以安卓工控机为主控制器。工控机内部操作系统为获得Root 权限的Android 12.0 版本，可满足工业自动化和控制领域的需求[10]。主控制器液晶屏能够提供友好的人机交互界面，同时该设备还配备了语音模块，可在数据异常时进行语音报警。主控制器与云服务器进行数据交互，选择低功耗的NB-IoT 作为通信手段，具体型号为某品牌的全网通模组BC35-G，通过USB 接口与RFID 模块连接。此外，该设备还配备了RS485 接口，可连接IC 读卡器，如图4 所示。

图4 主控系统总体架构图

3.2 云端数据库设计

通过互联网和物联网技术，构建一个云端危化品数据库，记录危险化学品的最后使用期限信息，实现对危险化学品的智能管理。

云端危化品数据库系统使用传感器协议处理模块（SPM）和业务处理模块（BPM）[11]，有用户管理和智能柜管理两个重要的管理系统。另外，该系统还提供了数据展示功能，以图形化方式展示给用户。

3.3 智能门禁系统

智能门禁系统是由IC 身份确认模块、触摸显示屏及远程监控模块[12]、智能语音模块组成，如图5 所示,能够实现身份验证、出入信息记录、远程控制、报警等功能，使门禁系统更加安全可靠，同时提高了管理员的工作效率。柜体内设有声光报警器，可在危化品柜未经授权操作或超时开启时发出声音和光闪，以提醒工作人员注意和采取必要措施。

图5 智能门禁系统图

3.3.1 IC 卡身份确认模块

IC 卡身份信息读取模块是IC 卡通过NFC 读卡器实现数据录入，NFC 读卡器与电脑端读写软件相连，通过电脑系统操作读取IC 卡，并将 “实验室安全学习考试在线系统” 信息保存到读写软件中，利用RC522 模块将所需信息导入IC 卡的存储器，并定期更新数据。读卡器读取IC 卡中用户身份信息，与数据比对，若使用者未参加学习或未通过考试，系统发出警报并语音播报 “没有取用资格” 。另外，通过RFID衣物识别系统，识别衣物上的RFID 标签，并将数据传输给柜体控制器和服务器，控制器解析和处理衣物信息，服务器进行数据分析。如果取用人员的防护措施不符合要求，系统将发出警报，从而对危化品使用资格和规范进行严格把关。

3.3.2 触摸显示屏的主控电路设计

柜门中央设置智能触摸显示屏，并安装小型摄像装置，实现现场与远程监控并存。智能显示屏采用STM32 主控电路设计，核心控制器选用STM32F103ZET6微处理器，主芯片工作频率高达72 MHz，内设有高速存储器、通用16 位定时器、SPI 接口等，其中还包含标准和先进的通信接口，如CAN 总线接口、USART 接口和SDIO 接口等。显示屏上所安装的小型摄像装置，采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，然后各个管理站点的服务器再用局域网连接起来，形成了柜体的内部网络，通过WIFI 连接，管理员可由移动端或电脑端在线监测柜体外部的操作情况。

3.3.3 智能语音识别模块

为实现高效便捷操作，采用可信呼叫的实时音视频流的智能语音识别技术服务于门禁模块。使用者可通过呼叫端告知柜体自身需求，如借用或归还某种试剂的数量、种类等，柜体通过接听端将借用人的需求信息录入，并进行后台数据分析，匹配相应的危化品试剂，之后通过语音端输出语音信息，向借用人提供取用的剂量、窗口、操作方式等。

3.4 全流程的各项指标监测模块

3.4.1 柜内环境指标监测模块

柜体中设有气体压力表、倾角传感器和温湿度传感器、浓度传感器，可以自动收集储存各项数据，并根据不同指标生成不同的变化曲线，实时向管理人员传输。同时，备份到云端，操作系统通过分析曲线是否出现异常变化，可以及时向管理人员发送警报或作出提醒，从而及时处理，有效防止柜内危化品泄漏扩散事故的发生。

3.4.2 存取使用危化品过程的监控与监测

存储柜能够根据危化品的化学性质以语音方式向管理员推荐合适的存放位置。使用者取用危化品之后，系统会通过语音播报提示其将剩余危化品放入柜中指定区域内。

安装在存放板下方的电容式称重感应器能够实时检测危化品的取用剂量，可以实时监控配重状态的变化，以避免取用超量的情况发生。取用后的剩余量会自动匹配到后台数据库中，通过手机可直接查看，同时可检测部分具有挥发性的危化品的质量变化。当重量传感器数值长时间（预先设置时间点）未变化或试剂重量值为空瓶质量值时，系统会给管理人员发送通知，提示其化学试剂可能已失效或用完，需要及时更换。另外，柜体中设置的摄像头全程记录取用过程，取用者可以扫描药品容器上的条码，记录信息和使用情况，以便后期追溯。

4 结语

危险化学品的存放和使用，是危化品流通和管理过程中最重要的环节。智能危化品专用柜的设计基于高校实验室的安全与环保，其创新性在于柜体结构，真正可实现危化品的分类存放。并且功能更加全面，实现了身份识别、使用过程监测以及危化品废弃物处理和安全回收等功能的整合创新，经测试和实验证明，系统具有较好的准确性、实时性、稳定性。