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China Computer & Communication
敬件开与忿用
2020年第23期
张晓玲朱志恒黄静刘江峰
（信阳师范学院，河南信阳464000）
摘 要：针对高校科研实验室安全高效运行需求，分析了实验室的安全风险和管理要素，设计了一种适用于高校科
研实验室的过程管理记录系统。通过将该系统应用在科学试验工作要素的适时检测与控制中，能够对科研实验室门禁、
高效、安全运行.
关键词：实验室安全；过程监控；物联网技术；视频预警
中图分类号：TP315 文献标识码：A 文章编号：1003-9767 （2020） 23-126-03
Design and Realization of Comprehensive Safety Management System of
University Laboratory
ZHANG Xiaoling, ZHU Zhiheng, HUANG Jing, LIU Jiangfeng
(Xinyang Normal University, Xinyang Henan 464000, China)
Abstract ： In response to the requirements for the safe and efficient operation of scientific research laboratories in colleges
and universities, the safety risks and management elements of the laboratories are analyzed, and a process management recording system suitable for scientific research laboratories in colleges and universities is designed; the system applies the Internet of Things technology to
scientific experiment work The timely detection and control of elements ensure the scientific, transparent, efficient and
safe operation of scientific research laboratories through the integrated processing of the access control, electricity, security, video mordtoring and early warning, and dynamic information of pharmaceutical materials.
Keywords: laboratory safety; process monitoring; Internet of Things; video early warning
0引言
实验室安全工作一直都是各大高校高度关注的重点，是 科技创新和培养人才的重要保障。安全工作主要是进行安全教
育、制定安全规则和培养师生的安全意识，但是在实际工作 中总是存在各种疏忽和违规现象[1'2]o 因此建立一套可实时监
控、方便操作、智能甄别预警、事后监督追溯的实验室综合监 控系统，将能够有效提升实验室的安全保障水平和运行效率。
在本系统的辅助下，可有效降低管理人员的劳动强度和专业素 质要求，有效保障实验室的安全、科学、透明、高效运行。
1高校实验室安全管理系统的现状
高校实验室因仪器种类多、设备复杂等因素，从而增加
了安全管理的难度。实验室内比较昂贵的设备一旦发生火灾、 电路故障，都会造成很大的经济损失。目前，实验室的安全
管理机制还不够完善，存在人员进出安全问题，目前主要通
过门禁或视频监控了解人员进出情况，由于进出人员都要佩 戴门禁卡，因此不便于管理，一旦发生事故，无法追究相关
人员的责任叫
近年来，高校实验室出现爆炸等事故的新闻并不少见， 如2015年12月清华大学的化学实验室爆炸，一名正在做实
验的孟姓博士后当场死亡；2016年9月21 0，东华大学化
学化工与生物工程学院的一个实验室发生爆炸，两名学生受 重伤，一名学生受轻微擦伤；2018年12月北京交通大学东
校区2号楼实验室内学生进行垃圾渗滤液污水处理科研试验 时发生爆炸，造成3人死亡。关于实验室安全方面，教育部 办公厅在2017年印发了《教育部办公厅关于加强高校教学
实验室安全工作的通知》，强调要加强高校教学实验室安全 工作，要树立”隐患就是事故”的观念。
针对上述存在的问题，以及近年来物联网技术、人工智 能、通信技术、云存储等技术的发展趋势，利用新技术实现
基金项目：创业训练计划项目：2020年河南省高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202010477059S ） o 作者简介：张晓玲（1988-），女，河南开封人，硕士研究生。研究方向：物联网技术、光学。
通信作者：刘江峰（1970—），男，河南宜阳县人，博士研究生，副教授。研究方向：光伏发电技术。Email ： ***************。
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实验室的科学化、信息化、智能化、数字化是高校实验室发 展的重要方向。2高校实验室安全管理系统设计
2.1系统架构
高校实验室综合管理系统由三层架构构成。一是感知层, 各类传感器与采集器之间的通信协议采用Modbus RTU 协议, 采集器实时采集各类传感器的数据信息。二是网络层，采集
器与云服务器之间采用EDP 协议，采集器将实时采集到的传 感器数据信息传输到云服务器，云服务器对数据进行保存、 管理。如果需要实时接收业务应用层下发的控制命令，需要 保持EDP 长连接。三是应用层，采用HTTP 协议与云服务器李宇春 结婚
进行数据传输，将获取到的数据进行展示、分析等各种业务 操作，如图］所示。
图1系统架构图
2.2高校实验室安全管理系统的功能模块设计
高校实验室综合管理系统实现的功能主要包括实验室用 电管理、安防系统管理、门禁监控、视频管理和化学品管理, 如图2所示。
~>一
异常报警
―
电
能质量分析一
―>|
查询与统；
—一实时监控
_—一异常报警 一图
—一
红外线监
张罄予丁一烟雾气体监测一
厂一温湿度监
丄门禁记录查看一
丄
门禁监控
一
门
禁状态显示
登记信息查看
比化学品查询」
化学品出入管理
历
史回放
配
置管理 - 视频实时显示-功能模块
2.2.1用电管理模块
高校实验室用电监控管理是高校实验室管理系统的重要 环节，旨在实时守护实验室设备仪器用电安全。该模块由实 时监控、查询与统计、电能分析、异常报警等功能构成。实
时监控主要是实时采集电参数信息，包括三相电压、三相电 流和电能信息。查询与统计包括基础电参数查询，如电压、
电流、有功功率、无功功率、视在功率、线频率、功率因数
和电能信息等。电能质量分析包括三相电压、三相电流不平
减肥产品排行榜12强衡度分析，以及三相电压、三相电流2-21次谐波含有率分析 等，能够帮助管理人员分析用电是否规范，从而实现科学用 电。异常报警主要是实时监测用电信息，一旦发现异常现象
以监控报警和短信报警形式立即通知管理人员O
2.2.2安防系统管理模块
安防系统管理包括环境温湿度监测、酒精浓度监测和烟
雾浓度监测等。环境温湿度监测主要是监测科研实验室内部 的温湿度是否在标准的范围内，若出现超标现象，首先进行
短信推送报警，若长时间无人处理并持续或超标严重，将采
用远程控制方式自动远程开启窗户或空调进行改善处理，以 避免昂贵设备仪器因温度过高、温度过低、潮湿或干燥受到
损害。酒精浓度和烟雾浓度超标时同样以短信的方式通知实
验室管理人员，以便及时处理，防止发生火灾或化学品泄露 等事故。以上传感器通过采集器实时采集数据，并将实时采
集到的数据传输至云服务器进行存储、分析，客户端可以进
行远程调取、显示、查看、分析。
2.2.3门禁监控模块
门禁监控模块单元主要包括人脸识别系统、指纹识别系
2022北京冬奥会金牌榜统、NFC 、权限管理、考勤管理、信息管理和访客权限等。人 脸识别系统主要包含采集、分析、授权、拍照等。指纹识别与
NFC 是人脸识别的补充，在特殊情况下，无法采用人脸识别
或识别不成功，可采取指纹识别或NFC 刷卡进入。权限管理
主要涉及监控模块的管理、增删改查以及权限分配。信息管理
单元主要用于记录操作门禁的相关信息，如人员、时间、是否 符合鉴权等，无论是否有权限，都会存储到访人员的影像信息,
并至少存放30天。访客权限为临时开放的一种权限，在短期
内需要进入试验区域，由具备管理员权限的操作者为其录入访 客权限，到期自动取消。门禁监控模块单元具备网络传输的功
能，通过UART 、RS485、CAN 、Wifi, LAN 等灵活组网方式
将数据上报至中心服务器，并进行统一调度管理。
2.2.4视频监控模块
目前，视频监控是大多数高校实验室的监控手段之一， 特别是对于存在不安全因素以及无人值守的实验室，通过视
频监控可远程实时了解实验室的情况旳。本单元包括视频实 时监控、视频配置管理、历史回放等功能，使用的是有线功
能的摄像头，通过网络将视频信息传输到PC 客户端或移动 设备。管理人员可以通过本系统查看各个实验的实时视频信 息。该模块可以对特定区域进行预警设置，一旦出现异常情
况以短信方式提醒安全管理人员现场处理。
2.2.5化学品管理模块
化学品管理模块包括化学品入库、化学品出库、库存量
查询和登记信息查询等模块。化学品入库、化学品出库是对
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实验室化学品进行动态管理，记录化学品的进出情况，方便
管理人员查看化学品使用时间及明细，及时了解化学品的使 用量与库存情况。
3技术设计
没有绯闻的明星3.1硬件系统设计
硬件部分主要由用电管理、安防系统、门禁监控、视频 监控、化学品无纸化管理以及中心服务器组成。硬件中所需用
的MCU 采用RL78/G13系列的R5F100GH 作为核心处理器。
用电管理采用台湾铠泉光电科技生产的电能计量芯片
ATT7022E，该芯片是一颗多功能高精度计量芯片，内部集
成了 7路二阶Sigma-delta ADC 等电路，提供一路SPI 接口， 方便与外部MCU 进行数据通信交互。同时，该芯片还提供
了 lK *16bit 的ADC 数据缓冲buffer，能够准确测量到含41
次谐波的有功、无功、视在等功率以及电能，提供同步采样
数据便于进行谐波分析等。安防系统主要由采集器网关与传感器组成，负责进行数 据采集、分析、上报等。门禁系统硬件由MCU 、摄像头、
NFC 、指纹模块、存储单元和数据传输单元等组成。视频监
控主要采用海康威视的摄像头，通过调取SDK 进行二次开发,
实现视频信息与总控中心的数据进行关联。化学品无纸化管 理主要采用系统电字表格实现。
3.2软件系统设计
本监测系统客户端采用Microsoft Visual Studio 2010开 发环境开发，采用C#语言编写，数据库采用SQL Server
2012，依据C/S 开发模式规划高校实验室综合安全管理系统
客户端的体系框架和功能模块，采用三层架构开发模式，即
用户层-业务层-数据层，如图3所示。
图3三层架构图购房契税
按照系统需求进行模块化设计，图4是安防管理模块的
界面图，主要用于采集高校实验室中的气体，包括环境温度、 环境湿度、烟雾浓度、酒精浓度、CO 浓度和CO?浓度，也可 以根据实验室的具体情况进行传感器的更换与添加等操作。
图4安防系统界面图
4结语
参考文献
目前，该系统已在信阳师范学院的二级单位试用， 用于对实验室的用电、实验室设备、环境等进行实时监控
和管理。从试用结果来看，该系统能够降低管理人员的工
作强度，减少实验室存在的各种安全隐患和死角，实现了 对实验室化学品等进行无纸化、科学化管理。同时，对
实验室及实验室大型设备的用电进行精细化管理，实现 了安全用电、科学用电，同时能够节约电能、减少能源
耗费。
[1] 陈一星，张伟，王雪，等•高等院校实验室安全管理
系统设计与实现[J].实验技术与管理,2016,33(11):274-27&
[2] 刘建军，陈玲玲，高雁凤，等.高校科研实验室安全管
理系统的设计与实现[J].实验技术与管理,2019,36(5):255-25&
[3] 徐建华.高校实验室管理现状、问题及对策[J].安徽
省教育招生考试院,2019,34(18):9-10.
[4] 史屹君，田金勇，毕胜，等•科研实验室智能监控系
统设计[J].科学技术创新,2018(⑵:74-75.
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