高校實驗室物聯網用電安全系統設計

序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了1篇的高校實驗室物聯網用電安全系統設計樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。

0引言

實驗室是高校加深在校學生對理論課程的理解和培養實踐動手能力的實驗場地，也是研究人員進行科學研究和相關實驗論證的科研場所。隨著國內高校辦學規模的擴張和辦學水平的提高，實驗室建設逐漸成為學校產學研體系的重要組成部分[1]。實驗室安全是各項教學活動和科學研究順利進行的基本保證，其不僅關系到實驗室實驗儀器存放安全與否，更關系到在實驗室進行教研活動的師生的人員安全[2]。2019年中國實驗室發展大會中提到：我國高校每年發生用電安全事故約150起。由此可見，構建健全的實驗室安全管理體系至關重要。高校實驗室安全管理大多采用人工巡查等方式進行實驗室安全方面的維護，每間實驗室配備相應的實驗室安全管理人員，定期對實驗室電力設備運行狀況進行巡查[3]。上述“人防”方式雖然能從一定程度上保障實驗室的日常安全運行，但許多用電安全隱患不易察覺，用電安全問題發生突然，實驗室管理員不易第一時間知曉并處理警情，因此通過“人防”方式進行實驗室消防管理存在一定的局限性[4?5]。隨著現今物聯網、大數據等新興科學技術的蓬勃發展，高校響應國家號召，運用現代科技實現實驗室信息10期化、智能化管理勢在必行。本文利用物聯網、云計算、大數據等技術對實驗室用電情況進行實時監測和系統分析，排查實驗室用電安全隱患，發生異常情況及時報警，實現信息化條件下的實驗室用電安全管理工作轉型升級[6?7]。此舉可以保障實驗室的財產安全和實驗人員的人身安全，完善校園信息化安全管理體系，為安全和諧校園建設添磚加瓦。

1高校實驗室用電安全問題分析

1.1不規范用電

實驗室實驗人員進行教研任務的不規范用電行為是造成實驗室火災事故的主要原因之一。近年來，高校逐漸重視對實驗人員的實驗室用電安全教育，但在實驗室飲食、實驗儀器工作時無人在旁值守等安全意識薄弱現象屢見不鮮[8]。除了實驗儀器，接線板也是實驗室最常見也最容易被忽視的用電設備。使用非國標的接線板，將接線板隨意放置于實驗儀器旁，同時使用多個接在同一個接線板的大功率電器造成接線板過載等不規范用電行為，都大大增加了實驗室消防安全隱患。

1.2維護缺失

現如今，高校在實驗室用電安全方面的科技支撐不足，對實驗室安全進行維護管理時大多采用安全管理人員定期定點巡查等方式。但部分實驗室管理人員對實驗室安全管理重視程度不足，對實驗室的定期巡查和維護流于形式，缺乏規范有效的監督，缺崗、漏崗現象時有發生[9]。實驗室安全監管人員不能及時發現實驗室內用電安全問題，為火情等危險情況的發生埋下了巨大隱患。另一方面，高校校園中部分老舊實驗樓用電線路過于陳舊，電力線路檢修難度大，安全管理人員檢查不到位，極易產生監管死角[10]。一旦用電不慎，極易導致線路短路或線路功率過大引起火災。

1.3安全管理體系和手段不健全

基于往年高校實驗室發生火災等事故留下的慘痛教訓，近年來各大高校逐步建立起實驗室安全管理體系[11?13]。受人力成本高等因素制約，實驗室安全管理員大多由實驗員、任課老師或安保等人員兼任。然而以上監管人員存在時間精力有限和缺乏專業火災防控知識等問題，使得實驗室安全管理人員責任范圍模糊，造成“不愿管、不會管、不敢管”的監管亂象[14]。另一方面，學校對監管人員和實驗人員的實驗室安全教育培訓過于形式化，實驗室安全管理制度流于紙面，未能落實到具體的實驗室安全管理上[15]。長此以往，會造成實驗人員對實驗室用電安全隱患的排查與處理不到位、不合理的問題，存在巨大的監管漏洞。一旦發生因用電安全引發的火災等事故，會對人員生命和實驗室財產安全造成不可挽回的損失。

2系統設計

運用物聯網、邊緣計算、大數據等現代信息技術實現高校實驗室用電安全監測和管理，十分迫切且可行。為了解決上述用電安全問題，提升實驗室用電安全管理問題的效率和效果，實現實驗室安全管理方式從“人防”向“技防”的轉變，建設信息化、智慧化實驗室，本文開發了實驗室物聯網用電安全系統。該系統由智慧用電物聯終端和實驗室用電安全管理云平臺構成。智慧用電物聯終端是基于物聯網、邊緣計算和“移動互聯網+”等最新技術研發的硬件設備，包括物聯終端及配套部署的各類傳感器。根據實驗室職能、規模和所在區域等實驗室信息可設置終端參數，終端和傳感器對實驗室的配電箱進行24h數據監控，并將電路和溫度等實時數據通過無線通信動態上傳至云平臺。實驗室用電安全管理云平臺是一個綜合性的物聯網云平臺，能夠對智慧用電物聯終端設備進行監測、定位和跟蹤，及時獲取實驗室終端設備數據和運行狀況，并將終端上傳的監測數據批量存儲在云平臺數據庫中。同時通過數據挖掘分析，對實驗室用電安全狀況和用電行為進行評估分析，提高實驗室安全管理人員監管質量和效率。實驗室物聯網用電安全系統主要實現當實驗室配電箱內電路出現過流、過壓、漏電等異常情況，并在引發電氣火災等更嚴重的后果前及時向實驗室管理人員報警，最大限度做到實驗室消防警情的早預判、早發現、早除患和早撲救，減少實驗室用電隱患的滋生，強化實驗室用電安全預防工作，建立高校實驗室的防火墻，構筑校園實驗室安全管理體系。智慧用電物聯終端部署于各實驗室配電箱內部，與之連接的傳感器布置于箱內的線纜和箱體等部位，終端以無線的方式（NB?IoT/4G/5G）入網，與實驗室用電安全管理云平臺進行數據交互。當某路監測數據達到相應閾值時，終端本地會進行蜂鳴報警，同時將數據上傳至云平臺，在云平臺推送報警具體信息，并向發生報警實驗室的安全負責人通過撥打電話、發送短信和微信平臺推送等方式進行通知。實驗室用電安全管理中的用電數據分析、事件電子臺賬、安全隱患定位等其他功能主要通過云平臺實現。

3智慧用電物聯終端

智慧用電物聯終端是可以檢測實驗室配電箱內線路各項電力數據的設備，是實驗室物聯網用電安全系統的主要監測終端設備。物聯終端通過傳感器監測的數據通道包括一路剩余電流、四路線路溫度、一路箱體溫度、三路電壓、三路電流。將終端安裝在配電箱中，正常工作時終端不間斷監控各個通道數據，根據設定通道數據的上下限對實驗室配電箱內電力線路進行異常報警和保護。當各通道數據值超過閾值時，終端蜂鳴器報警，立即控制空開脫扣，同時上傳各個通道的數據到安全管理云平臺，并生成報警事件，通過微信（推送報警通知）、電話（收到智能來電）推送信息給管理員。并且當終端監測到數據出現異常變化或超出閾值，會頻繁上傳數據至實驗室安全管理云平臺，直到監測數據恢復正常，停止上報異常情況。當報警事件處理完畢后實驗室安全管理人員必須手動消音并復位終端，進行新一輪的實時數據監控。終端的控制部分為一個嵌入式系統，主要用于基本功能邏輯實現、數據處理、數據通信等功能。接口電路部分主要用于電流互感器、溫度傳感器等傳感器與控制電路的連接和驅動；指示電路則主要通過數碼管、LED燈形式指示終端的運行狀態和報警信息；報警電路中的蜂鳴器則主要用于產生報警聲音和上電提示音等。終端內置4G通信模塊（可根據信號覆蓋情況更換為NB?IoT模塊或5G模塊），通過運營商網絡實現終端接入，與云平臺進行雙向通信。由于終端使用的是無線網絡通信，不需要布置信號線，在供電方面終端從配電箱內部取電，不需要額外進行電源布線，因此終端安裝的施工難度和成本大大降低，可以根據實驗室配電箱內部情況靈活部署。由于終端使用的傳感器均為線路外部安裝，無需破壞原有電路結構，不會對原有線路產生影響。智慧用電物聯終端實物如圖3所示，終端配電箱內實際安裝部署如圖4所示。

4實驗室用電安全管理云平臺

實驗室用電安全管理云平臺能夠實現實驗室用電安全隱患、事故的早發現、早報警、早補救，全面解決實驗室用電安全監督難點。云平臺接收、顯示、處理、存儲終端設備動態實時上傳的監測數據，且根據設計主要用于智慧用電物聯終端的接入，但不僅限于此。云平臺不受物聯網設備類型的限制，能夠接入多種物聯網設備，基于多類型標準協議和API開發滿足海量設備的高并發快速接入，實現對終端設備的實時監控、報警推送、數據分析、詳細定位等功能。目前所實現的主要功能具體如下。

4.1實時監控

云平臺實時監控智慧用電物聯終端上線時上傳各通道數據，生成上線事件推送至云平臺，同時實時推送動態到用戶Web端。用戶端可根據物聯終端所在位置查看每個終端設備的詳細信息，如設備狀態、通道數據、所屬類別等。云平臺24h監控已上線的物聯終端狀態，對關乎實驗室用電安全的主要因素，如線纜溫度、配電箱溫度、剩余電流、電路電壓、電流等信息進行實時在線監測，上報排查各類安全隱患。部分數據監測頁面如圖5、圖6所示。

4.2報警推送

當實驗室的智慧用電物聯終端發生告警情況，可通過Web網頁、短信、電話、微信等多種方式將報警通知及報警地址實時推送給對應實驗室管理員，管理員能夠第一時間收到報警推送消息，即可及時聯系相關工作人員進行處理，最大限度地保障實驗室生命財產安全。同時，管理員可針對重點監管區域的終端進行高優先級設置，實現終端分級管理，設立多道監管防線，避免因個人疏漏所導致的嚴重事故。

4.3數據分析

實驗室用電安全管理云平臺可以實時在線顯示監測線路中的電壓、電流、剩余電流、溫度等動態信息，把用電情況變成可視的數字化監控，查看實時采集的數據信息以及歷史數據曲線，并生成統計分析數據表。運用大數據相關技術分析電器設備回路的相關參數，著重于功率、突變電流和箱體溫度等與電氣火災成因有直接關聯的參數，按照時間、地點、實驗室類型進行智慧用電物聯終端告警事件統計，生成實驗室用電安全隱患分析報告，及時排查實驗室用電安全隱患，并適時進行提示。

4.4詳細定位

實驗室用電安全管理云平臺嵌入GIS系統（地理信息系統），能夠對每一個實驗室配置終端設備進行精確定位，并將位置信息添加在終端設備管理詳情頁。管理員在全景地圖界面能夠直觀了解到當前地理位置已安裝終端設備位置分布情況，有效解決人力巡檢遺漏問題，實現實驗室用電安全監管網絡全面覆蓋，消除安全監控死角。

5部署應用

實驗室物聯網用電安全系統已在山東大學青島校區的公共（創新）實驗教學中心部署使用，覆蓋中心各實驗室，實現實驗室用電安全信息化管理。系統的智慧用電物聯終端及傳感器部署于中心44個實驗室的55個配電箱中，實驗室用電安全管理云平臺本地部署于中心的服務器。通過開通實驗中心主任、系統管理員、實驗室管理員等不同權限的賬號，系統使用人員可以通過Web端登錄系統，使用系統各項實驗室用電安全管理功能，使用手機通過短信、電話、微信等方式接收實驗室用電安全事件信息。另外，還專門開發了大屏信息展示頁面，應用于中心監控室大屏，如圖7所示。大屏實現監控室人員對實驗室用電安全數據和系統狀態的監控，以及對外展示等功能。系統在中心已經部署應用了三年多時間，系統整體性能穩定，數據實時性強，用電安全事件信息推送及時，曾多次及時向電路、化學等實驗室管理員提示漏電、線路過流、過壓等情況，輔助排查原因并消除了安全隱患。系統應用以來，記錄和存儲了大量的實驗室用電安全數據，形成了用電安全電子臺賬，便于管理和調閱；同時可以成為大數據分析和數據挖掘的數據源，供相關實驗和科研項目使用，也可以通過開發，應用實時數據和歷史數據進一步改進和拓展系統功能、提升系統性能。

6結語

實驗室物聯網用電安全系統是融合終端硬件設計和物聯網、云計算等技術設計的一套高度信息化用電安全管理系統。系統管理方式從傳統的“人防”監管轉向“技防”管理，側重對實驗室配電箱電力線路數據的日常監測、異常報警和隱患分析排查，實現實驗室用電數據信息化管理，將電氣事故發生的可能性和實際損失降到最低。系統部署成本低，是實現實驗室安全管理、信息化建設的良好途徑，在實驗室管理中具有一定的推廣價值，經過實際部署應用也證明了系統的穩定性和有效性，有利于營造更加安全、穩定、和諧的校園環境。

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作者:李怡錦 王洪君 房明 單位:山東大學信息科學與工程學院