開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張琛

摘要：為了適應(yīng)中國(guó)高校開(kāi)放辦學(xué)的趨勢(shì)，解決實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室管理困難的問(wèn)題，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)。劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層三層架構(gòu)，能按傳感器類(lèi)型對(duì)實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件進(jìn)行有效分類(lèi)，調(diào)取匹配的處置預(yù)案，更加精準(zhǔn)地指揮保安和安全員應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室事故。實(shí)踐表明本系統(tǒng)不僅僅能發(fā)揮安防應(yīng)急指揮的作用，也能加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的管理。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室；物聯(lián)網(wǎng)；安防系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）25-0039-02

2016年2月，國(guó)務(wù)院針對(duì)城市交通阻塞問(wèn)題提出了“街區(qū)制”的解決方案，提出居民小區(qū)和企事業(yè)大院應(yīng)逐步向社會(huì)開(kāi)放，優(yōu)化城市路網(wǎng)，提高城市的交通效率。2016年7月，中國(guó)人民大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，中國(guó)政法大學(xué)等多所北京高校率先開(kāi)放校園道路，以促進(jìn)區(qū)域交通微循環(huán)，減少過(guò)往車(chē)輛繞校園的現(xiàn)象，被社會(huì)媒體解讀為“大學(xué)拆墻”。很顯然，隨著中國(guó)高校從上世紀(jì)五十年代的“大院制”向世界名?！敖謪^(qū)制”的發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)高校將呈現(xiàn)開(kāi)放式辦學(xué)的全新姿態(tài)，向社會(huì)提供了交通資源、教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)資源與科研資源，這是當(dāng)前中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的宏觀背景[1]。

隨著普通高校對(duì)教學(xué)目標(biāo)的重定位，特別是各類(lèi)工程院校意識(shí)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才才能響應(yīng)中國(guó)生產(chǎn)力提升的需求，能解決學(xué)生就業(yè)難問(wèn)題，因此提出了多種新型的實(shí)踐教學(xué)法，與生產(chǎn)需求掛鉤，請(qǐng)企業(yè)工程師擔(dān)任實(shí)踐教師，圍繞著生產(chǎn)問(wèn)題而布置學(xué)習(xí)內(nèi)容[2]。這樣實(shí)驗(yàn)室從傳統(tǒng)的理論教師安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生根據(jù)生產(chǎn)需求，在實(shí)踐教師的引導(dǎo)下，自發(fā)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。理論教師根據(jù)學(xué)生申請(qǐng)，安排實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間和開(kāi)放項(xiàng)目，學(xué)生可以在指定的時(shí)間，在企業(yè)工程師、理論教師的共同指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。這是當(dāng)前中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的微觀背景[3]。

綜上所述，在中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的需求下，高校的實(shí)驗(yàn)樓周邊人群復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室利用率提高，實(shí)驗(yàn)安排繁忙，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從風(fēng)險(xiǎn)可控的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)向不可預(yù)見(jiàn)結(jié)果的研究型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，從而形成了越來(lái)越難以掌控的實(shí)驗(yàn)室安防態(tài)勢(shì)。在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放環(huán)境下，一旦發(fā)生實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件時(shí)，因?yàn)樾１Ｐl(wèi)處和保安公司對(duì)實(shí)驗(yàn)室情況不熟悉，采取錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)措施，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此在實(shí)驗(yàn)室事故發(fā)生時(shí)，需要采用先進(jìn)科技判明事故類(lèi)型，查詢(xún)最佳處置預(yù)案，把事故詳情通知實(shí)驗(yàn)室的責(zé)任人，把處置預(yù)案告知保安，并調(diào)集實(shí)驗(yàn)室?guī)熒巴г?。針?duì)這一需求，應(yīng)用“感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層”三層開(kāi)發(fā)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)，將能有效地控制突發(fā)事故時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4]。

1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室前端安裝了各種傳感器，以實(shí)現(xiàn)事件類(lèi)型的感知。一般來(lái)說(shuō)，門(mén)磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測(cè)門(mén)窗在未開(kāi)放時(shí)段被異常打開(kāi)的突發(fā)事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的操作臺(tái)，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作流程錯(cuò)誤導(dǎo)致的毒氣泄露事件；可燃?xì)怏w傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃?xì)怏w管道附近，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)后未關(guān)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(cè)貴重設(shè)備是否被帶出特定實(shí)驗(yàn)室，一種為13.56Mhz的IC卡門(mén)禁讀卡器，配合門(mén)磁傳感器，可用于非法入侵實(shí)驗(yàn)室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無(wú)線的形式，布置在交通要道處，將隨著實(shí)驗(yàn)樓承擔(dān)不同的研究任務(wù)而導(dǎo)致人流熱點(diǎn)區(qū)域改變即時(shí)調(diào)整位置，可以用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樓各區(qū)域的繁忙態(tài)勢(shì)，大數(shù)據(jù)分析表明，實(shí)驗(yàn)室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關(guān)性；撞擊傳感器布置成無(wú)線的形式，用于檢測(cè)敏感區(qū)域破壞墻、門(mén)、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無(wú)線形式，用于在發(fā)生爆炸事故時(shí)，分析爆炸區(qū)域和規(guī)模，快速計(jì)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(fā)事件發(fā)生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類(lèi)型，減少誤報(bào)事故，同時(shí)事故瞬間相片也能讓實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)老師在第一時(shí)間了解實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)狀態(tài)，更好指導(dǎo)保安采取正確的處置措施[5]。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過(guò)有線和無(wú)線的方式，收集傳感器監(jiān)測(cè)到的突發(fā)事件[6]。

在網(wǎng)絡(luò)層，MCU把突發(fā)事件編碼，拼接成“房間號(hào)，事件號(hào)”字符串，通過(guò)3G Modem，應(yīng)用Socket通訊技術(shù)向云安防中心發(fā)送字符串。在實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件的同時(shí)，MCU向攝像頭發(fā)出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過(guò)3G Modem，將事故現(xiàn)場(chǎng)相片上傳云應(yīng)用層的安防中心。隨后，MCU也將報(bào)警以短信形式發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)教師，將事故圖像以彩信的方式發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)教師。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層也稱(chēng)為“云端”，保衛(wèi)處在云端建設(shè)安防中心，收到各實(shí)驗(yàn)室MCU發(fā)來(lái)的報(bào)警信息后。第一步，先呼叫當(dāng)班保安立即前往事故現(xiàn)象查看。第二步，在預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)檢索相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，調(diào)取師生安全員的聯(lián)系方式，對(duì)所有師生安全員群發(fā)事故短信，并撥打師生安全員手機(jī)，要求師生安全員到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助保安處置事故。第三步，向保衛(wèi)處領(lǐng)導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)院系領(lǐng)導(dǎo)，學(xué)校分管領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)警情，以備事件難以控制時(shí)，能更加有效地組織施救團(tuán)隊(duì)，以及大規(guī)模調(diào)動(dòng)應(yīng)急物資。

2 硬件開(kāi)發(fā)

在本系統(tǒng)中，感知層有較多的硬件開(kāi)發(fā)工作。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的核心MCU都要外接十多個(gè)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(gè)傳感器，也可通過(guò)“MAX232”芯片發(fā)送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”?！?G MODEM”選擇華為公司生產(chǎn)的“GTM 900C”，因?yàn)閮?nèi)嵌了“TCP/IP”協(xié)議，使得圖像上傳和彩信發(fā)送較容易實(shí)現(xiàn)。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產(chǎn)“GXT-Y101”的模塊，其特點(diǎn)是可以通過(guò)串口接受MCU發(fā)出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時(shí)。

網(wǎng)絡(luò)層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔(dān)，內(nèi)置了“增強(qiáng)AT指令集”，因此具有較強(qiáng)大的Socket通訊、短信發(fā)送、圖像傳遞、彩信發(fā)送的功能。實(shí)驗(yàn)表明，在傳遞“房間號(hào)，事件號(hào)”短信時(shí)，只需耗時(shí)4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實(shí)時(shí)圖像，只需耗時(shí)30s。

以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過(guò)IO腳檢測(cè)到傳感器事件；（2）MCU通過(guò)串口1，向傳感器同房間的攝像頭發(fā)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(fā)出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；（4）MCU發(fā)出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時(shí)長(zhǎng)度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發(fā)出指令“5600360103”，攝像頭又恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)；（6）MCU通過(guò)IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發(fā)送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態(tài)設(shè)置；（8）MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設(shè)置，即用本地的1237端口與互聯(lián)網(wǎng)上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發(fā)起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPSEND = "（圖像數(shù)據(jù)）"”，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(fā)送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

3 云端軟件開(kāi)發(fā)

云端安防中心模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，云端通過(guò)WINSOCK模塊接收各實(shí)驗(yàn)室的門(mén)禁信息，通過(guò)WINSOCK模塊接收各實(shí)驗(yàn)室的突發(fā)事件傳感器信息和現(xiàn)場(chǎng)圖像，通過(guò)一個(gè)“GTM 900C”模塊群發(fā)調(diào)度指令給當(dāng)班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點(diǎn)，也可通過(guò)保安的手機(jī)移動(dòng)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)保安的調(diào)度。計(jì)算服務(wù)器接著按“房間號(hào)”、“事件號(hào)”為查詢(xún)關(guān)鍵詞，在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)搜索相應(yīng)的“處置預(yù)案”，并從處置預(yù)案中獲得師生安全員的聯(lián)系方式，通過(guò)第二個(gè)“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發(fā)處置預(yù)案，要求各人員嚴(yán)格按處置預(yù)案開(kāi)展應(yīng)急措施，避免事故擴(kuò)大或造成應(yīng)急人員傷亡。最后實(shí)現(xiàn)彩信群發(fā)，向所有應(yīng)急人員發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)照片，讓?xiě)?yīng)急人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部狀態(tài)有較準(zhǔn)確了解。

如果學(xué)校規(guī)模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監(jiān)控體系，可以通過(guò)增加計(jì)算服務(wù)器來(lái)提高指令發(fā)布的效率。把各計(jì)算服務(wù)器布置成并行作業(yè)的狀態(tài)，每一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器都具有應(yīng)急指揮的完全能力，每臺(tái)計(jì)算服務(wù)器在下達(dá)應(yīng)急指令過(guò)程中，從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉泵顟B(tài)，由其他空閑計(jì)算服務(wù)器來(lái)響應(yīng)新的事故報(bào)警。該設(shè)計(jì)使得云端具有同時(shí)應(yīng)對(duì)多個(gè)事故的指揮能力，而且即使若干計(jì)算服務(wù)器突然損壞，也不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急指揮的中斷。實(shí)踐證明，每三百個(gè)實(shí)驗(yàn)室、教室、辦公室配置一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器，在多起突發(fā)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，云端仍然具有多點(diǎn)撲救的指揮能力。

4 結(jié)論

系統(tǒng)在南京理工大學(xué)紫金學(xué)院進(jìn)行了測(cè)試。紫金學(xué)院采用了“項(xiàng)目教學(xué)法”來(lái)培養(yǎng)應(yīng)用型人才，應(yīng)用了“任務(wù)引領(lǐng)，實(shí)踐導(dǎo)向”的教學(xué)思想，學(xué)生在企業(yè)實(shí)踐教師的指導(dǎo)下，根據(jù)生產(chǎn)需求，自行設(shè)計(jì)了各種全新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理方法無(wú)法適應(yīng)實(shí)踐教學(xué)的新需求。應(yīng)用了基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)后，即使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日趨復(fù)雜，也能按傳感器類(lèi)型對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行有效地分類(lèi)，調(diào)取匹配的處置預(yù)案，更精準(zhǔn)地指揮保安和師生安全員應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室事故。而且在平時(shí)，實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)可以從門(mén)磁傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況，根據(jù)IC卡門(mén)禁讀卡器數(shù)據(jù)計(jì)算學(xué)生實(shí)踐學(xué)時(shí)和教師的實(shí)踐課時(shí)，通過(guò)熱釋電傳感器了解實(shí)驗(yàn)大樓的人群分布，及時(shí)調(diào)整巡邏保安的巡防區(qū)域。所以本系統(tǒng)不僅僅能發(fā)揮安防應(yīng)急指揮的作用，也能加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的管理。

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