张海江

一、实验室安全管理現状

随着国家对各行各业安全生产的要求不断提高，教育主管部门及学校对实验室安全管理重视程度不断提升，推动了高校实验室安全管理水平稳步提高。但我国艺术学科实验室建设仍处于初期阶段，高校在建立艺术类实验室的过程中难免缺乏经验，加上专业实验教师的缺少，在实际建设运行中大多照搬其他传统学科实验室的建设方法与管理措施，造成实验室安全管理建设与设艺术设计的专业实验需要上存在一定的不适应性，而部分实验室安全监管相对缺位，造成实验室安全隐患时有发生。

（一）艺术学科下专业实验室分类庞杂

艺术类实验室是高校培养设计创新、艺术研究型人才的重要场所。由实验教学的专业特点侧重不同组件了分类庞杂的专业实验室和工作室，如产品模型、3D打印、木工、环境设计、服装缝制、扎染、蜡染、丝网印刷、漆工艺、玻璃工艺、金属工艺、泥塑、动画艺术、摄影暗房、版画、雕塑、国画等各种专业或公共实验室，其多样性与复杂性使得艺术类实验室在管理和建设方面存在与传统实验室有较大差异。随着学校办学规模的扩大、实验室设备资金投入的增加，导致实验室人员设备安全管理压力成倍增长。

（二）实验室的部分设施环境存在老化问题

部分用电线路陈旧、老化且布线不规范影响用电安全;水管、采暖管道存在诱蚀破裂漏水等情况，实验室安全隐患风险点不断增加。

（三）学生的安全意识有待加强

艺术学科实验室建设虽在安全警示方面已逐步完善，实验室操作规程张贴在墙上，但学生的安全意识相对淡薄，对于设备的使用流程、安全规范、最大运转时长等要求不重视，误操作现象时有发生，实验废弃物虽不涉及易爆、有毒等危险品，但随意丢弃堆放现象时有发生，特别是纸张、木屑、亚克力角料等易燃废物如清理不及时极易存在安全隐患。

因此，解决艺术类实验室的安全监测问题已经迫在眉睫，在逐步完善规章制度，加强对师生安全教育的基础上，利用现代智能传感器技术加强实验室安全监测，将是提升实验室安全管理，保障实验室工作的正常运行的一条有效途径，对促进实验室安全稳定运行具有重要意义。

二、传感器技术概况

（一）传感器技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。随着传感器监测精度的不断提高，传感器以其微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特性广泛应用于自动检测和自动控制等多个领域。目前，传感器根据其感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、色敏元件和味敏元件等多种类别。在专业安监领域热敏、气敏、湿敏等传感器得到了广泛应用。

（二）无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接.利用无线传感器网络技术，可有效解决实验室安全监测系统建立的网络连接问题，减少因不同校区、楼宇间实验室监测联网造成的强弱电布线投入，并且网络扩展拓扑方便快捷。

三、系统功能设计

实验室安全监测系统分为三个主要部分：实验室环境安全状态感知模块;传感器信息传输处理模块;安全预警信息反馈等模块组成。

（1）环境安全状态感知模块主要针对每个实验室工作室的具体环境状况和安全隐患易发因素安装具有相关感知功能的传感器，来识别初期隐患并预警。如采暖水管、自来水管易跑冒滴漏的位置安装水滴传感器检测漏水情况;针对容易产生易燃废料的实验室加装热敏和烟雾传感器，检测初期火灾隐患;针对各实验室设备用电线路安装交流电流感应器检测实验设备用电异常情况等。

（2）传感器信息传输处理模块主要实现各工作室实验室传感器节点实时采集到的信息进行收集和比对，对超出安全阀值的节点数据进行筛选跟踪，若同一实验室节点连续出现预警数据，系统将预警信息传输给信息反馈模块进一步完成操作。此模块涉及无线网络技术、数据库技术、数据采集技术等相关技术应用。

（3）安全预警信息反馈模块，此模块主要功能是针对后台的预警信息将通过手机APP和安全监测网站平台发布给相关的实验室管理人员，并通过声光等预警信号在所在实验室发出预警。

四、系统搭建

（一）硬件系统搭建

根据实验中心各个实验室安全监测管理的功能需求，现有环境状况的施工复杂度等问题，确定实验室智能安全监测管理系统的硬件选择应主要考虑硬件功耗、电路简单、易于实现、操作简便等特点的设备。系统应具备安全、高效、稳定等特性。由此根据当前物联网主流应用确定传感器信息采集模块选择Arduino控制器收集各个传感器节点的实时采集信息，数据由Arduino控制器通过Zigbee无线网络发送到服务器端，由服务器完成信息的比对和筛选，完成正常环境状态信息的过滤，来发现异常状况。

传感器信息传输处理模块中ZigBee无线传感器网络作为整套系统重要组成部分，在设备选型中，选择比较成熟稳定的联网芯片CC2530等芯片，其自身都已经集成了80C51系列控制芯片，对于传感节点少且简单的环境监测传感器网络的实施，不需要外加处理控制器就能完成这部分工作。针对实验室开放安全监测系统中，终端涉及多环境状况采集、设备用电检测等多方面的功能实现，就需要增加无线传感网络的数据和控制接口数量，可用集成到Arduino控制器，协调实验室中多传感器的信息，完成数据采集的初步环节，如图1。

安全预警信息反馈模块，系统在传感器检测到实验室环境设施存在超安全阈值范围状况时，通过移动端APP或安全监测网站平台向实验室管理人员发送预警提示信息，第一时间告知实验室管理人员和实验操作员，关注异常信息源，及时采取应急处置措施。同时，系统当得到安全管理员的信息确认时，系统可直接启动该实验室的警示程序，现场人员可及时规避突发安全隐患。

（二）软件系统设计

实验室智能安全监测系统中，系统软件设计是硬件系统运行的中枢和灵魂，是实现zigbee无线传感器网络与Arduino控制器和PC智能网关通信协作的基础，是实现实验室环境安全监测的保障。

（1）用户接口部分：用户通过账号和密码登陆个人界面，来检索相关实验室的采集数据，根据数据比对情况可对实验室安全状况有一个明确的了解。

教师模块：即各实验室相关工作人员通过教工号和密码登陆进入教师模块，可以查看自己的个人信息和更改密码;可以查看自己所管理实验室的各种环境状况，可对某段时间内的历史数据进行检索，系统形成变化趋势曲线，供用户进行模拟分析。

管理员模块：通过管理员帐号和密码进入后台管理模块，可以查看自己的个人信息和修改密码，对实验室各类传感器采集数据的比对参考阈值进行修正，增删用户及调整用户权限等。

（2）数据库部分实现采集数据的接收、分类、存储和比对并输出结果。主要由阈值表、温湿度表、气体监测表、烟雾火焰监测表、电流监测表等多个基础信息表来实现采集信息的加工处理并将结果传输给安全预警信息反馈模块。

（3）智能网关部分实现传感器采集数据的传输和预警信息反馈的功能。利用微软的MSComm控件进行串口程序开发。通信控件MSC0MM在标准串口通信方面具有强大功能。该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。数据在串口发送或接收过程中触发OnComm事件，通过程序访问CommEvent属性读取通信事件的类型，进行相应的处理。一个MSComm控件对应一个串口，多个通信口可以由多个通信控件来访问。当PC端发送一个命令包后，即开始监视串口，并等待Arduino控制器通过Zigbee无线网络发送的各实验室节点的监测数据，PC端将接收到的数据写人对应的信息表中做进一步加工处理。

（4）实验室环境安全状态感知部分，通过Arduino提供的多个数字端口和模拟端口连接各类环境监测传感器。根据传感器采集信息输出的信号类型对其进行分类，将其分别与Aduino控制器对应的数字端口或模拟端口进行连接，通过ArduinoIDE调试各个传感器数据采集程序。如图2水滴传感器监测水管漏水情况程序流程图。

以上各个模块通过一系列的数据传输、转换、比对来完成系统软件的信息采集、识别、預警功能，达到实验室安全监测预警的目的。

五、结语

随着高校智慧校园建设步伐的加快，以开放型实验室智能安全监测为出发点的智能安全管理将是一个很好的智慧实验室建设切入点，该智能安全监测系统结合了传感器技术、Arduino控制技术、ZigBee无线通信技术、数据库程序设计技术、Web服务程序设计等技术，是将系统软硬件通过无线传感器网络这个纽带紧密结合在一起应用到实验室安全管理的一个完整系统。

参考文献

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