基于物联网的实验室安全监控系统的设计

金开军 尚厚玉

摘要：随着互联网的不断发展，实验室开放管理逐渐转向智能管理模式。本文以实验室的安全监控为研究对象，设计基于物联网的实验室安全监控系统，主要利用传感器的终端节点进行实验室的安全检测，利用终端节点控制实验室的通风、消防水阀等安全设备，同时通过无线传感器网络，后台服务器和移动客户端等设备，分析总结实验室安全监测的数据通信，从达到实验室安全监控的目的，保障实验室的安全运行。

关键字：物联网 实验安全 监控系统 无线传感器网络

1实验室安全监控系统的总体构架

实验室安全监控系统由网关、无线节点、后台服务器、移动客户端四个部分组成。后台服務器是整个系统的核心，主要负责监控和通信的数据处理，使系统的监控顺利进行。即有效收集数据，分析数据，显示和传输数据。无线节点主要负责安全数据的采集。网关是实验室安全监控系统的一种网络交换设备，完成后台服务器与无线节点的高效连接。移动客户端的功能是接收实验室安全监控的数据，并通过后台服务器远程监控实验室和操作实验室接入网络的设备。

2实验室安全监控系统的模块设计

2.1无线传感器网络

无线传感器网络主要由电源模块、无线模块、控制模块构成。其中无线模块主要负责数据的采集和传输。电源模块和控制模块为无线模块的工作提供条件。控制模块采用msp430f4250微处理芯片，实现安全监控数据的标准采集和整合在分析处理数据后返回无线模块，用户可以通过控制模块设置标准数据交互。有效提取由无线模块处理的安全数据。但如果用户未在无线模块中预先设置工作标准，则系统默认为大规模数据采集标准。电源模块为控制模块和无线模块提供24V电源。为了使无线传感器网络收集的数据系统与用户的有线网络有机连接，降低系统中无线通信的误码率，电源模块提供两种供电方式。当系统收集数据的工作量不是太高，且用户的有线网络扩展功能不强时，电源可用于维持无线模块的稳定性以进行数据传输反之，系统的供电应直接使用干电池，使系统的能耗有所降低，系统的便携性有一定的提高。

为了降低安全监控系统采集数据的误码率，无线传感器网络的设计必须满足以下几点：（1）各传感器之间可自动进行组网;（2）传感器的定位准确、数据集高效、快捷;（3）系统集数据的请求和传输有规律。（4）数据的传输要稳定安全。为此，系统无线模块中进行数据采集和传输的终端设备选取CC2530射频芯片作为系统的射频模块，这种CC2530系列的芯片以它成本低、组网功能极其强大并且集成了微处理器和射频通信为一体的特点，保证系统采集数据的工作效率。CC2530射频芯片的组网功能极其强大，具有6种自动组网模式，有8051系列的微控制器内核，具备系统硬件调制的功能，能满足符合实验室安全监控系统设计的要求。天线接口和显示接口的数据传输协议有智能总线协议和低功耗射频协议。智能总线协议的最大传输距离为1220米，传输速率可达9. 8Mbps，并可以实现400个无线传感器网络节点同时进行传输工作。低功耗射频协议使用的传输工具是介质访问控制层，抗干扰能力远远优于智能总线协议，但是它的传输速率低于智能总线协议。经系统测试，当用户的有线网络比较稳定时，使用智能总线协议，反之，自动切换为低功耗射频协议。

控制模块用于控制无线模块的数据采集工作，选取msp430f4250微处理器芯片，对系统采集到的传感器数据进行分析处理。msp430f4250微处理器芯片具有16位的指令计算机结构，能够对系统节点结构、系统操作方式及系统软硬件有关编译的工作进度给予有效合理的协调，以减小系统采集的误差，降低无线传输的误码率，提高系统的工作效率。

2.2后台服务器

后台服务器的任务是将系统接收到的实验室安全数据保存到数据库中，并对数据做相应的分析处理，将控制指令传送到网关。实验室管理员可以通过APP或PC端查询后台服务器，获取实验室安全监测的数据信息，或对实验室的安全隐患进行远程控制处理。后台服务器在移动客户端和传感器网络之间起连接作用，后台服务器的具体功能为：（1）接收数据，将无线传感器网终端节点采集的实验室安全数据从网关中读出。（2）实验室安全数据的管理，以列表的形式将每个传感器检测到的数据以列表的方式在界面上显示，方便实验室管理员查询。（3）实验安全设备的运行状态查询，在界面上以列表的形式显示实验室安全设备的工作状态，管理员点击设备图标，在界面上弹出该设备运行的相关数据并实现设备的开关控制当点击摄像头时，调节摄像头的方向，实现实验室无死角显示，并在界面上显示清晰的图像或视频。实验室的安全隐患易发生于实验室无人值守，当实验室安全监控系统产生安全报警提示时，实验室管理员通过移动客户端访问后台服务器，并在数据库中查看实验室安全监控数据，找到实验室安全隐患原因，控制效果安全设备，排除安全隐患，降低或避免不必要的损失。

2.3移动客户端

实验室安全监控系统的移动客户端采用基于安卓操作系统开发的应用软件，包括JDK以及Eclipse软件移动端，连网的移动客户端输入ip地址，连接成功后，手机能够自动进行实验室安全数据的刷新，实验室管理员可以实时监控实验室的安全情况。

3结语

本文主要对实验室的安全监控进行系统分析，综合运用物联网和无线传感器网络技术进行实验室安全监控系统的设计其架构简单，操作性强，可控性高具有动态路由和自组网等优点在具体使用过程中，能根据不同的需求接入相应的无线传感器节点。因此能够适用于不同的实验室安全监控，具有一定的推广价值。

参考文献

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