開放實驗室物聯網安防系統設計

張琛

摘要：為了適應中國高校開放辦學的趨勢，解決實踐教學中實驗室管理困難的問題，采用了物聯網技術，設計了開放實驗室物聯網安防系統。劃分為感知層、網絡層與應用層三層架構，能按傳感器類型對實驗室突發事件進行有效分類，調取匹配的處置預案，更加精準地指揮保安和安全員應對實驗室事故。實踐表明本系統不僅僅能發揮安防應急指揮的作用，也能加強實踐教學的管理。

關鍵詞：開放實驗室；物聯網；安防系統

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）25-0039-02

2016年2月，國務院針對城市交通阻塞問題提出了“街區制”的解決方案，提出居民小區和企事業大院應逐步向社會開放，優化城市路網，提高城市的交通效率。2016年7月，中國人民大學，北京航空航天大學，中國政法大學等多所北京高校率先開放校園道路，以促進區域交通微循環，減少過往車輛繞校園的現象，被社會媒體解讀為“大學拆墻”。很顯然，隨著中國高校從上世紀五十年代的“大院制”向世界名?！敖謪^制”的發展趨勢，中國高校將呈現開放式辦學的全新姿態，向社會提供了交通資源、教學資源、實驗資源與科研資源，這是當前中國高校開放式辦學的宏觀背景[1]。

隨著普通高校對教學目標的重定位，特別是各類工程院校意識到培養應用型人才才能響應中國生產力提升的需求，能解決學生就業難問題，因此提出了多種新型的實踐教學法，與生產需求掛鉤，請企業工程師擔任實踐教師，圍繞著生產問題而布置學習內容[2]。這樣實驗室從傳統的理論教師安排實驗項目，轉變為學生根據生產需求，在實踐教師的引導下，自發申請實驗項目。理論教師根據學生申請，安排實驗室開放時間和開放項目，學生可以在指定的時間，在企業工程師、理論教師的共同指導下開展實驗。這是當前中國高校開放式辦學的微觀背景[3]。

綜上所述，在中國高校開放式辦學的需求下，高校的實驗樓周邊人群復雜，實驗室利用率提高，實驗安排繁忙，實驗項目從風險可控的驗證型實驗向不可預見結果的研究型、設計型實驗轉變，從而形成了越來越難以掌控的實驗室安防態勢。在復雜的實驗室開放環境下，一旦發生實驗室突發事件時，因為校保衛處和保安公司對實驗室情況不熟悉，采取錯誤的應對措施，就會引發嚴重的事故。因此在實驗室事故發生時，需要采用先進科技判明事故類型，查詢最佳處置預案，把事故詳情通知實驗室的責任人，把處置預案告知保安，并調集實驗室師生前往支援。針對這一需求，應用“感知層、網絡層、應用層”三層開發架構，設計了一個開放實驗室物聯網安防系統，將能有效地控制突發事故時的經濟損失和人員傷亡[4]。

1 物聯網架構的設計

本設計在實驗室前端安裝了各種傳感器，以實現事件類型的感知。一般來說，門磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測門窗在未開放時段被異常打開的突發事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學實驗室的操作臺，用于檢測實驗過程中操作流程錯誤導致的毒氣泄露事件；可燃氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃氣體管道附近，用于檢測實驗后未關閉氣管的事件；RFID傳感器布置成有線的形式，分為兩種，一種是915Mhz的10m距離的讀卡器，用于檢測貴重設備是否被帶出特定實驗室，一種為13.56Mhz的IC卡門禁讀卡器，配合門磁傳感器，可用于非法入侵實驗室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無線的形式，布置在交通要道處，將隨著實驗樓承擔不同的研究任務而導致人流熱點區域改變即時調整位置，可以用于檢測實驗樓各區域的繁忙態勢，大數據分析表明，實驗室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關性；撞擊傳感器布置成無線的形式，用于檢測敏感區域破壞墻、門、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無線形式，用于在發生爆炸事故時，分析爆炸區域和規模，快速計算疏散路徑的用途；攝像頭采用串口通訊的方式，用于獲取突發事件發生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類型，減少誤報事故，同時事故瞬間相片也能讓實驗室負責老師在第一時間了解實驗室的真實狀態，更好指導保安采取正確的處置措施[5]。在每個實驗室內各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過有線和無線的方式，收集傳感器監測到的突發事件[6]。

在網絡層，MCU把突發事件編碼，拼接成“房間號，事件號”字符串，通過3G Modem，應用Socket通訊技術向云安防中心發送字符串。在實驗室突發事件的同時，MCU向攝像頭發出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過3G Modem，將事故現場相片上傳云應用層的安防中心。隨后，MCU也將報警以短信形式發送給實驗室的負責教師，將事故圖像以彩信的方式發送給實驗室負責教師。

物聯網的應用層也稱為“云端”，保衛處在云端建設安防中心，收到各實驗室MCU發來的報警信息后。第一步，先呼叫當班保安立即前往事故現象查看。第二步，在預案數據庫檢索相應的應對措施，調取師生安全員的聯系方式，對所有師生安全員群發事故短信，并撥打師生安全員手機，要求師生安全員到現場協助保安處置事故。第三步，向保衛處領導，實驗室相關院系領導，學校分管領導匯報警情，以備事件難以控制時，能更加有效地組織施救團隊，以及大規模調動應急物資。

2 硬件開發

在本系統中，感知層有較多的硬件開發工作。每個實驗室的核心MCU都要外接十多個傳感器，還需要連接“3G MODEM”。因此選擇飛思卡爾公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33個傳感器，也可通過“MAX232”芯片發送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”?！?G MODEM”選擇華為公司生產的“GTM 900C”，因為內嵌了“TCP/IP”協議，使得圖像上傳和彩信發送較容易實現。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產“GXT-Y101”的模塊，其特點是可以通過串口接受MCU發出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時。

網絡層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔，內置了“增強AT指令集”，因此具有較強大的Socket通訊、短信發送、圖像傳遞、彩信發送的功能。實驗表明，在傳遞“房間號，事件號”短信時，只需耗時4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實時圖像，只需耗時30s。

以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過IO腳檢測到傳感器事件；（2）MCU通過串口1，向傳感器同房間的攝像頭發送拍照指令“5600360100”，攝像頭完成事件瞬間的圖像的感知工作；（3）MCU向攝像頭發出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數據長度；（4）MCU發出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時長度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發出指令“5600360103”，攝像頭又恢復到待機狀態；（6）MCU通過IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態設置；（8）MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設置，即用本地的1237端口與互聯網上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPSEND = "（圖像數據）"”，完成事故圖像向云端的安防中心的上傳，傳遞50 kB的事故圖像約18s；（10） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進入待機狀態。

3 云端軟件開發

云端安防中心模塊結構見圖1，云端通過WINSOCK模塊接收各實驗室的門禁信息，通過WINSOCK模塊接收各實驗室的突發事件傳感器信息和現場圖像，通過一個“GTM 900C”模塊群發調度指令給當班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點，也可通過保安的手機移動APP實現對保安的調度。計算服務器接著按“房間號”、“事件號”為查詢關鍵詞，在SQL SERVER數據庫搜索相應的“處置預案”，并從處置預案中獲得師生安全員的聯系方式，通過第二個“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發處置預案，要求各人員嚴格按處置預案開展應急措施，避免事故擴大或造成應急人員傷亡。最后實現彩信群發，向所有應急人員發布現場照片，讓應急人員對現場內部狀態有較準確了解。

如果學校規模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監控體系，可以通過增加計算服務器來提高指令發布的效率。把各計算服務器布置成并行作業的狀態，每一臺計算服務器都具有應急指揮的完全能力，每臺計算服務器在下達應急指令過程中，從空閑狀態轉變為繁忙狀態，由其他空閑計算服務器來響應新的事故報警。該設計使得云端具有同時應對多個事故的指揮能力，而且即使若干計算服務器突然損壞，也不會導致應急指揮的中斷。實踐證明，每三百個實驗室、教室、辦公室配置一臺計算服務器，在多起突發事件同時發生時，云端仍然具有多點撲救的指揮能力。

4 結論

系統在南京理工大學紫金學院進行了測試。紫金學院采用了“項目教學法”來培養應用型人才，應用了“任務引領，實踐導向”的教學思想，學生在企業實踐教師的指導下，根據生產需求，自行設計了各種全新的實驗項目，傳統實驗室管理方法無法適應實踐教學的新需求。應用了基于物聯網的實驗室安防系統后，即使實驗項目日趨復雜，也能按傳感器類型對突發事件進行有效地分類，調取匹配的處置預案，更精準地指揮保安和師生安全員應對實驗室事故。而且在平時，實驗室安防系統可以從門磁傳感器數據統計實驗室的實驗教學的情況，根據IC卡門禁讀卡器數據計算學生實踐學時和教師的實踐課時，通過熱釋電傳感器了解實驗大樓的人群分布，及時調整巡邏保安的巡防區域。所以本系統不僅僅能發揮安防應急指揮的作用，也能加強實踐教學的管理。

參考文獻：

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