基于物联网技术的高校实验室安全监测系统设计

引 言

实验室是高等学校的重要组成部分，是办好高校的基本条件之一，高校实验室的安全管理是确保高等学校实验教学、科学研究、技术开发、资产管理顺利进行的重要保障。当前我国高校的实验室建设进入了一个崭新阶段，随着建设速度和投入力度的加大，高校管理变革的逐步推进，实验室建设和管理的进一步规范化、复杂化，实验室的安全管理工作将变得更加繁重，实验室资产与人员增加、教学开放等给实验室安全管理带来了巨大的工作强度和压力，现有实验室安全管理模式和手段的落后导致各高校实验室安全事故频发，虽然采取了一系列措施，但由于缺乏相关信息管理平台的支撑， 仍无法实现实时、可靠的实验室安全管理 [1-2]。

针对上述情况，本文设计了一套基于物联网技术的实验室安全监测系统，该系统集数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、智能监控、智能反馈和实时报警等功能于一体，通过有线、无线两种方式实时掌握实验室安全情况。该系统针对学校实验室分布广、安全风险点多、管理困难等特点，利用物联网技术，通过传感器和监控摄像头实时采集实验室温湿度信息、门禁状态、电源通断情况及各类人员进出实验室情况。用户可以通过电脑、手机、平板等终端设备实时查询实验室情况并接收报警信息，分析处理采集的数据信息，之后作出决策，以实现对实验室的安全控制与管理，降低实验室安全风险与事故发生率，保障高校实验室的安全 [3-5]。

1 实验室安全监测系统的整体架构

系统整体架构如图 1 所示。系统主要分为数据采集单元、数据传输单元、数据分析处理单元与数据接收单元。

1.1 数据采集单元

数据采集单元由传感器、摄像头组成，主要采集实验室相关环境参数。传感器内置于实验室内部的设备中，用以监测实验室温度、湿度、门禁、电压、电流等环境参数，应用摄像头对人体红外和实时场景进行监测。

1.2 数据传输单元

数据传输单元负责网络传输，与服务器进行通信。本系统通过有线和无线方式进行数据传输 ：有线方式主要通过室内以太网、室外全光网络传输 ；无线方式主要通过布置在各实验室的校园 WiFi 实现数据传输，这两种方式互为备份。

1.3 数据分析处理单元

数据分析处理单元主要指安全监测服务器，负责对所采集数据进行分析、处理，并实时发出预警信息，在接收到实验室管理员的指令后，对相应的物联网设备发出决策指令。数据分析处理单元还负责数据的存储、统计、图形化显示，生成数据报表、分析图形等，为实验室管理员提供决策支撑。

1.4 数据接收单元

数据接收处理单元主要指各类终端设备，包括手机、电脑、平板等，其通过安装 APP 软件或通过网页访问来查看服务器信息，并根据所得信息进行远程控制，以实现远程监控并有效处理实验室安全状况的功能。

2 实验室安全监测系统的硬件组成

实验室安全监测系统硬件包含智能电源、智能门禁、红外视频监控、温湿度监测感应 4 个独立的部分，这 4 个独立的部分各自采集相关实验室安全数据，并通过有线或无线网络传输到服务器中，服务器通过软件对所采集的数据进行存储和融合。系统硬件联动如图 2 所示。

红外视频监控数据存储在视频监控硬盘录像机上，仅当需要查看时才从视频监控硬盘录像机中调取，既节约了服务器的硬盘空间，又防止了网络带宽一直被占用，同时还具备监控视频回看功能，借助其红外热感应功能能够有效掌握实验室人员情况，防止非工作时间实验室发生盗窃。

智能门禁能够实时掌握实验室房门的开关状态，及时提醒实验室管理员在实验结束后关闭房门。可实现对仪器设备及实验室开放过程中的全程管理与控制，并与智能电源集中控制终端联动，当学生刷卡进入时自动分配座位并给相应设备供电，记录学生的进出情况，自动提交到管理服务器，生成学生、仪器设备使用记录等原始统计资料，降低实验的安全风险。

智能电源通过网络远程控制技术实现对有源实验仪器设备的授权使用，系统自动对被预约的仪器设备供电或断电，保证只为被授权或预约用户开放使用。通过远程电源集中控制终端，实现对仪器设备的网络远程供电与断电控制，结合监测系统平台智能数据采集联动实现刷卡进入时对指定设备供电，刷卡退出时判断设备运转状态并给予提示或拒绝断电，以保证设备安全，实时监测设备的运行状态。

3 验室安全监测系统的软件设计

本模块基于 .NET 语言和 MVC 技术开发构建， 采用SQL Server 数据库和 UTF-8 字符集，应用 B/S 开发模式进行设计与研究。实验室安全监测系统软件设计包括实验室安全准入考核管理、实验室安全检查管理、危险物品管理、监测显示等 4 个模块，如图 3 所示。

3.1 安全准入考核管理模块

该模块包含实验室安全自主学习子模块、实验室安全考试题库子模块、实验室安全考核子模块等 3 部分。该模块采取网上学习与网络考试相结合的教学形式，在学生进入实验室之前通过系统对实验的安全与规范有一个全面的认识与学习。网络考试子模块为评价学生的实验室安全学习效果提供了快速有效的检验平台。

网上学习和在线练习方便了学生的学习和对实验室安全知识的掌握。通过考试的学生才有资格进入实验室学习、做实验及进行各类研究，未通过考试的学生则需要通过再学习直至考试通过为止。

3.2 安全检查管理模块

该子模块包含计划检查管理、安全检查通知、实验室安全核查、安全问题整改、统计报表、数据上报等 6 个部分，具有规范安全检查机制流程的作用，组成如图 4 所示。

3.3 危险物品管理模块

危险物品管理模块包含申购危险品、采购验收、危险物品使用管理、危险品废弃物管理、危险品库存管理、危险品统计查询等 6 个部分。通过该子模块能够强化危险品安全保障体系，通过采取网上购买与线上申请购买两种形式，可对危险品的根源进行管理监控，开展危险品从集中采购、供应商管理、仓储、领用、使用、库存预警和回收等环节的智能化管理，通过对危险品流通信息的实时监测和数据挖掘分析， 为危险品相关监管部门提供数据支撑及决策支持。

3.4 监测显示模块

系统监测显示子模块主要包括网站监测显示及移动终端监测显示两部分。

网站监测显示主要通过各学院的门户网站实时显示本单位的实验室安全情况，并建立实验室安全信息档案，发布实验室安全状况曲线，形成实验室安全情况统计数据，并计算实验室安全风险指数，进行实验室潜在安全风险的评估和预警。

移动终端监测显示主要通过在移动终端上安装 APP 软件来实时、准确地监测实验室安全状况，可在实验室出现异常时发出预警信号，让实验室管理员第一时间处理实验室安全问题，保护实验室安全。

4 结 语

本文基于 TCP/IP 以太网技术、无线 WiFi、传感器技术、视频识别技术、移动应用开发技术、Web Service 技术及 .NET， SQL 等主流开发工具设计了一个实验室安全监测系统，该系统通过将物联网技术应用于实验室安全监测，可有效地实现基于物联网的全天候和智能化实时安全报警和监控功能，最大程度降低实验室安全风险，为学校的实验工作提供安全保障。