摘 要： 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)室，對(duì)傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)室管理進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；生物實(shí)驗(yàn)室；溫室；視頻監(jiān)控
隨著國家對(duì)科研的重視和支持，中國的科研條件已經(jīng)有了很大的改善，生物實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化水平也在不斷提高，擁有很多昂貴、精密的儀器設(shè)備，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)室的火、電等安全性能要求很高。另一方面，很多生物樣品和數(shù)據(jù)具有收集周期長(zhǎng)、樣品來源稀缺、不易重復(fù)等特點(diǎn)，對(duì)于樣品的保存和安全穩(wěn)定問題也有很高的要求。但目前對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)多關(guān)注其中化學(xué)藥品等的安全性，對(duì)于儀器使用和樣品保存等方面的安全性關(guān)注較少，現(xiàn)代化程度不高。因此，研究如何應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和電子產(chǎn)品對(duì)生物實(shí)驗(yàn)室的安全性控制進(jìn)行改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以自組織的方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給管理者。無線傳感器把邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、智能家居、軍事應(yīng)用等多個(gè)方面[1-3]。
本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)室，對(duì)傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)室管理進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案。該方案將生物實(shí)驗(yàn)室根據(jù)功能劃分為辦公區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和溫室三個(gè)區(qū)域。針對(duì)各區(qū)域的不同特點(diǎn)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)新型、安全和智能的生物實(shí)驗(yàn)室。該方案與傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)室工作模式相比，具有工作效率更高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集更準(zhǔn)確、安全性更高的優(yōu)點(diǎn)；并且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本較低，易與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可操作性更強(qiáng)。目前，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境尤其是生物實(shí)驗(yàn)室方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究較少，因而本文具有一定的新穎性和探索性，并且該方案比較容易推廣至其他類型的實(shí)驗(yàn)室等應(yīng)用環(huán)境。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，生物實(shí)驗(yàn)室的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三個(gè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、視頻監(jiān)控終端、服務(wù)器和管理終端組成。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，采集各種相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括電壓傳感器、氣體傳感器、光照傳感器等各種類型。各傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，能實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議棧間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，還能對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、數(shù)據(jù)冗余等處理，也能對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)等。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是功能強(qiáng)大的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是僅有無線通信功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備[3]。在本系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)選用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到來自各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，將其通過Internet傳送至服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面，以供管理人員進(jìn)行管理。
1.2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議
本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)終端的傳感器節(jié)點(diǎn)間采用ZigBee協(xié)議。ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，非常適合低功率、低成本、低速率的應(yīng)用環(huán)境。該網(wǎng)絡(luò)采用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，中心節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，所有數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)；星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合圓形分散、距離較近的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)。
2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)選擇
2.1 辦公區(qū)的功能設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)室的辦公區(qū)是工作人員和學(xué)生辦公和學(xué)習(xí)的地方，因此本區(qū)域的防火、防盜、防震是監(jiān)控的重點(diǎn)。當(dāng)有斷電、火災(zāi)、地震等意外情況發(fā)生時(shí)，各傳感器節(jié)點(diǎn)如電壓傳感器、溫度傳感器、防震傳感器等將采集的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后將其傳送到服務(wù)器；服務(wù)器的報(bào)警模塊對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。另一方面，為了使辦公室更安全，辦公區(qū)的電燈、冰箱、微波爐等家用電器也分別安裝上電壓傳感器等自動(dòng)裝置。為了進(jìn)一步保證辦公室安全，需要對(duì)辦公區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，因而該區(qū)域還安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示，攝像頭對(duì)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行采集，并將采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至PNX1500處理器內(nèi)核，處理器通過100 M以太網(wǎng)連接至服務(wù)器，服務(wù)器可對(duì)處理器傳送過來的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行監(jiān)視、存儲(chǔ)、回放和編輯等處理。
根據(jù)辦公區(qū)的防火特點(diǎn)，本區(qū)域內(nèi)的溫度傳感器可采用AD公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片ADT7301。 本芯片采用+2.7 V～+5.5 V電源供電，工作溫度范圍為：-40℃～+150℃，采用節(jié)省空間的SOT-23和MSOP兩種封裝模式，具有溫度轉(zhuǎn)換精度高、功耗低、串行接口靈活方便等特點(diǎn)。
地震傳感器采用成都美幻科技有限公司的德祥1系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可檢測(cè)P波和S波，具備預(yù)警和報(bào)警功能、“救命”呼喊和無線SOS求救功能， 報(bào)警靈敏度高，誤報(bào)警次數(shù)少，內(nèi)置電池容量大，可以在外接電源斷電后持續(xù)工作72小時(shí)，內(nèi)置了免維護(hù)的可充電電池，可設(shè)定報(bào)警烈度，耗電量低。
電壓傳感器選擇LEM公司的Eta電流傳感器，Eta技術(shù)涵蓋了開環(huán)和閉環(huán)兩種原理，集它們的優(yōu)點(diǎn)于一身，可測(cè)量交流電和直流電，測(cè)量范圍是200 A，且測(cè)量范圍可擴(kuò)展；單端5 V供電，帶寬范圍大，低功率損耗。
2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)的功能設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)區(qū)根據(jù)功能可劃分為實(shí)驗(yàn)操作區(qū)和設(shè)備區(qū)。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)通常存放有危險(xiǎn)、有毒甚至劇毒的化學(xué)藥品，生物實(shí)驗(yàn)過程中也會(huì)產(chǎn)生有害氣體，因此實(shí)驗(yàn)操作區(qū)的監(jiān)控重點(diǎn)是防毒、防火。設(shè)備區(qū)放置有各種類型的大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，需安裝電壓傳感器來對(duì)儀器設(shè)備的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以保證實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)樣品的安全性。如果實(shí)際電壓值超出預(yù)定門限值時(shí)，切斷市電輸入，同時(shí)啟動(dòng)UPS。所以，整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置有氣體傳感器、溫度傳感器、防震傳感器和電壓傳感器。為了進(jìn)一步保證實(shí)驗(yàn)區(qū)的安全，該區(qū)域還安裝有視頻監(jiān)控終端。
氣體傳感器布置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)、通風(fēng)櫥、超凈臺(tái)、藥品柜等存放危險(xiǎn)化學(xué)藥品和易產(chǎn)生有毒氣體設(shè)施的位置，形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該傳感器選用瑞士Membrapor公司的電化學(xué)式傳感器，電化學(xué)式傳感器利用氧化還原反應(yīng)，通過不同的電解質(zhì)可檢測(cè)幾十種有毒氣體，包括CO、SO2、NO、NH3、CL2、HCL等，測(cè)量范圍為0～1 000 ppm，分辨率為0.1～4 ppm。
溫度傳感器布置在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)角落位置、電源插口處、易發(fā)生火災(zāi)的地方，形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同樣可采用AD公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片ADT7301。
設(shè)備區(qū)中通常有許多大型的儀器設(shè)備，價(jià)格昂貴。非正常情況下的斷電，對(duì)大型儀器設(shè)備的損壞性非常大，有些損失甚至是不可彌補(bǔ)的。如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的超低溫冰箱，可能保存著不可再次獲得的實(shí)驗(yàn)樣品，因此保證大型儀器的正常運(yùn)行是非常重要的。根據(jù)此特點(diǎn)，需要安裝電壓傳感器，以保證大型儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用。電壓傳感器設(shè)置有一個(gè)門限值，當(dāng)電壓出現(xiàn)異?；虿环€(wěn)定時(shí)，通過門限值的限定，報(bào)警模塊及時(shí)報(bào)警，以保證大型儀器的安全。
根據(jù)設(shè)備區(qū)儀器設(shè)備的具體情況，可選擇LEM公司隔離放大型傳感器的電壓傳感器，該系列傳感器可直接測(cè)量電壓，其原邊線圈連接內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)傳送到隔離放大器。
2.3 溫室的功能設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)室的第三部分是溫室區(qū)域。該區(qū)域包括灌溉系統(tǒng)，還對(duì)土壤CO2的濃度、土壤的溫度、濕度及光照強(qiáng)度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。植物的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤的濕度、溫度較為敏感，土壤中放置相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，其將土壤的濕度、溫度等數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，然后服務(wù)器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[5]。研究人員可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)規(guī)律、特點(diǎn)，以及物理環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的影響等，以進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究工作。
溫度傳感器選擇德國ZMD公司的Tsic系列，其采用ZAC通信協(xié)議，電流低，功耗小，測(cè)量范圍為-50℃~+150℃，精度為±0.1℃，采用單總線輸出方式，接口簡(jiǎn)單。
光照傳感器采用芬蘭進(jìn)口的芯片HS2303，光照強(qiáng)度范圍：0～200 000 lx，分辨率0.1%，響應(yīng)時(shí)間1 s，并可與無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路或RS485網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路相連。
土壤CO2傳感器選用固態(tài)電解質(zhì)CO2傳感器MS4100(低成本、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù))，其對(duì)CO2反應(yīng)非常靈敏，受溫度和濕度影響小，適合農(nóng)業(yè)應(yīng)用；其量程為0~30 000 ppm，跨度為60～72 mV(0～2 000 ppm)，工作電壓為5 VDC+0.5%，響應(yīng)時(shí)間為5 s。
3 服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器放置在服務(wù)器機(jī)房，其對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面以供管理人員進(jìn)行管理。服務(wù)器主控軟件分為用戶界面模塊、報(bào)警模塊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊、視頻監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、節(jié)點(diǎn)管理模塊和數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊。如圖3所示，數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊接收來自各匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及來自視頻監(jiān)控終端的圖像數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)管理模塊主要對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始化、節(jié)點(diǎn)的加入和退出等進(jìn)行管理。報(bào)警模塊對(duì)來自傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、識(shí)別和分析，將報(bào)警信息輸入用戶界面進(jìn)行顯示等報(bào)警處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總和分析，并可以應(yīng)用專業(yè)生物分析軟件進(jìn)行科學(xué)研究。視頻監(jiān)控模塊對(duì)辦公區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行視頻監(jiān)控處理，如實(shí)時(shí)監(jiān)控，視頻圖像質(zhì)量控制和圖像備份等。數(shù)據(jù)庫管理模塊對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和查詢等管理。用戶界面模塊則給管理人員提供友好的用戶界面。
圖3中，報(bào)警模塊可對(duì)電警、火警、毒警等進(jìn)行報(bào)警處理，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的安全保障至關(guān)重要。報(bào)警模塊對(duì)報(bào)警信息的處理流程如圖4所示：當(dāng)有警情發(fā)生時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送到管理終端，管理人員通過電話、現(xiàn)場(chǎng)派人偵查等手段來核實(shí)該警情為實(shí)警還是虛警，實(shí)警是火警、毒氣泄漏警情、電壓不穩(wěn)或超負(fù)荷等報(bào)警，虛警則是人為等原因造成報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警。如果是實(shí)警，則采取如下措施：(1)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，通知現(xiàn)場(chǎng)人員迅速離開警情現(xiàn)場(chǎng)或做好防護(hù)措施。(2)打開門禁系統(tǒng)，使現(xiàn)場(chǎng)人員逃生；如發(fā)現(xiàn)警情嚴(yán)重?cái)U(kuò)大，可在人員全部逃出后，關(guān)閉門禁系統(tǒng)，防止災(zāi)情擴(kuò)大。(3)打開噴淋系統(tǒng)，滅火或降低毒氣濃度，防止火災(zāi)蔓延和毒氣濃度過高而引起的爆炸。(4)如為火警或?qū)嶋H電壓超過系統(tǒng)設(shè)置的電壓門限值，則需關(guān)閉電力系統(tǒng)。如果是虛警，則取消報(bào)警[4]。
傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，在生物實(shí)驗(yàn)室有著廣泛的應(yīng)用前景。采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不僅有效改善了傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)室的安全管理模式，還能高效地為研究人員提供準(zhǔn)確科研數(shù)據(jù)信息，并能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合。本文針對(duì)一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案，用以構(gòu)建一個(gè)新型、安全和智能的生物實(shí)驗(yàn)室，并可以推廣至其他類型的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用環(huán)境。
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