CN106092191A - 一种实验室环境监测无线传感装置及安全预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实验室环境监测无线传感装置及安全预警系统，包括：感知模块检测获取感测信息；危险识别模块根据感测信息获得周围环境的安全信息并发至控制模块；控制模块用于：通过无线通信模块自动与预设的实验室环境监测无线传感装置建立无线连接组建感测网络，和根据预设的选举协议与相连接的实验室环境监测无线传感装置确定领导节点和成员节点；其中，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点，控制模块还在安全等级为预设范围时向领导节点发送安全信息，或响应自领导节点接收的协作命令向领导节点发送感测信息；或实验室环境监测无线传感装置作为领导节点，控制模块还将接收的安全信息转发至服务器，和/或向所有成员节点发送协作命令。

Description

一种实验室环境监测无线传感装置及安全预警系统

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体地，涉及一种实验室环境监测无线传感装置及安全预警系统。

背景技术

化工实验室有着自身的鲜明特点，是科研院所和企业的重要的化学实验平台，最近发生的实验室安全问题更是引发了社会各界的广泛关注，随着微机电系统(MEMS)和人工智能技术的日渐成熟，作为人们感知世界重要工具的无线传感器网络是无疑成为解决这一难题的利器之一。目前实验室危险预警的难点在于危险识别存在困难和传统预警系统存在固有缺陷。但是，以自然计算、机器学习等为代表的智能算法的出现为节点识别危险能力提供了可能。

传统化工实验室危险主要存在两方面的缺陷，其一，传统的预警系统往往是单节点的，只能从某一角度和某一方面片面地感知环境中的危险，不能有效地结合多源传感器数据进行精准预警。

其二，以往的危险预警仅仅基于一些明显的信息，如气体冒烟、着火等，在无人状态时可以起到发现危险的作用，但不能发现危险于未然。

此外，传统的危险预警系统通常为有线的，需要综合布线和改造实验室的装修或者装饰，除了影响美观外，其便捷性和可用性也大大折扣。

还有一些解决方案理论性较强，但实用性较差，理想情况下有效，不能有效地在复杂、昂贵的实验室环境条件下达到预警效果。传统的预警系统设计中感知节点仅仅关心正在发生的危险，且功能有限，对实时数据的处理程度较低，即使发生事故也无法有效对事故原因进行追查。复杂实验室环境中，传统的措施往往会浪费节点资源，同时产生无意义的能源消耗，而提高节点的可用性能和智能化程度才是解决问题之道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种实验室环境监测无线传感装置及安全预警系统。

根据本发明提供的一种实验室环境监测无线传感装置，包括：感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块；

所述感知模块用于：检测获取周围环境的感测信息；

所述危险识别模块用于：根据所述感测信息获得周围环境的安全信息并发送至所述控制模块，所述安全信息包括安全等级和所述感测信息；

所述控制模块用于：

通过所述无线通信模块自动与预设的实验室环境监测无线传感装置建立无线连接组建感测网络，和

根据预设的选举协议与相连接的实验室环境监测无线传感装置确定领导节点和成员节点；

其中，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点，所述控制模块还用于在所述安全等级为预设范围时通过所述无线通信模块向所述领导节点发送所述安全信息，或响应自领导节点接收的协作命令通过所述无线通信模块向领导节点发送所述感测信息；或

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点，所述控制模块还用于通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，和/或通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令。

作为一种优化方案，所述感知模块包括视觉感知子模块、听觉感知子模块和嗅觉感知子模块；

所述视觉感知子模块包括红外探测器；

所述听觉感知子模块包括超声波探测器，和/或次声波探测器；

所述嗅觉感知子模块包括气敏传感器。

作为一种优化方案，还包括蘑菇形外壳；所述蘑菇形外壳的顶端弧面上设置有透光视窗，所述视觉感知子模块通过所述透光视窗接收周围环境的感知信息。

作为一种优化方案，所述感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块分别连接至一IC总线上。

作为一种优化方案，所述感知模块还包括仪器信息获取模块；所述仪器信息获取模块与预设的仪器无线连接，获取所连接的仪器的运行状态信息。

作为一种优化方案，还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块相连，用于存储所述控制模块获得的所述安全信息。

作为一种优化方案，所述存储子模块由至少一层耐高温抗腐蚀的包裹。

作为一种优化方案，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点时，所述控制模块还用于根据自服务器接收的休眠命令或在预设时间段控制所述感知模块、危险识别模块、无线通信模块停止工作，自身进入待机状态。

作为一种优化方案，所述安全等级以危险程度逐渐提升依次包括：正常、预警、报警；

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点时，所述控制模块还用于：

在接收的所述安全信息中的安全等级为预警时，通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，并通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令；

在接收的所述安全信息中的安全等级为报警时，仅通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种安全预警系统，包括服务器和若干个所述的实验室环境监测无线传感装置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

在化工实验室环境中，该节点可以以协作的方式、有效地、实时地监测和识别环境中存在的危险，并及时发出预警通知，能有效保证化工科研人员的人身安全，同时也能为保护试验设备争取到宝贵时间。本发明中能源消耗集中在领导节点上，只需要增加领导节点的充电次数，而成员节点保持较低的耗能状态，合理的能耗分配能够节约能源的同时充分利用节点资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选的一种实验室环境监测无线传感装置示意图；

图2是可选的一种实验室环境监测无线传感装置俯视图；

图3是可选的一种实验室环境监测无线传感装置半剖面结构图；

图4是可选的一种实验室环境监测无线传感装置第二层电路板结构示意图；

图5是可选的一种实验室环境监测无线传感装置第三层电路板结构示意图。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

针对化工实验室特定环境条件下的危险预警问题，本发明设计并实现了一种实验室环境监测无线传感装置和预警系统，该类传感器节点可互相协作，便捷、智能地实现化工实验室危险发现，其创新性主要体现在以下四个方面：(1)无需进行有线安装，可根据需求方便地进行部署；(2)分布式感知功能，体现在多个节点间的数据综合与合作感知机制；(3)节点之间无线通信射频功率自适应连接组网；(4)基于多源数据(视觉、听觉、嗅觉)的潜在危险发现方法(预警机制)。

在本发明提供的一种实验室环境监测无线传感装置的实施例中，如图1所示，包括：感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块；

所述感知模块用于：检测获取周围环境的感测信息；

所述危险识别模块用于：根据所述感测信息获得周围环境的安全信息并发送至所述控制模块，所述安全信息包括安全等级和所述感测信息；

所述控制模块用于：

通过所述无线通信模块自动与预设的实验室环境监测无线传感装置建立无线连接组建感测网络，和

根据预设的选举协议与相连接的实验室环境监测无线传感装置确定领导节点和成员节点；

其中，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点，所述控制模块还用于在所述安全等级为预设范围时通过所述无线通信模块向所述领导节点发送所述安全信息，或响应自领导节点接收的协作命令通过所述无线通信模块向领导节点发送所述感测信息；或

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点，所述控制模块还用于通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，和/或通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令。

本发明中成为领导节点的实验室环境监测无线传感装置耗能较大，相比于成员节点，领导节点需要进行安全信息的收集和转发。成员节点正常工作状态下仅需要负责接收自身负责区域内的感知信息，并进行该区域内安全等级的判断，在没有发现危险时都不需要与领导节点传输数据，仅需要保持连接即可，只有在发现危险或接收到协作命令时才需要向领导节点传输数据。由此，大部分的成员节点在保证及时发现危险的同时还能够避免现有技术中实时信息传输产生的能量消耗。本发明中能源消耗集中在领导节点上，只需要增加领导节点的充电次数，而成员节点保持较低的耗能状态，合理的能耗分配能够节约能源的同时充分利用节点资源。

服务器接收到所述安全信息后，工作人员可以在总控室中及时地获悉实验室的情况，通知相关人员进行故障的排除。

所述选举协议可以是比较常用的LEACH协议。LEACH协议全称是“低功耗自适应集簇分层型协议”(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，是一种无线传感器网络路由协议。基于LEACH协议的算法，称为LEACH算法。

作为一种实施例，所述感知模块包括视觉感知子模块、听觉感知子模块和嗅觉感知子模块；

所述视觉感知子模块包括红外探测器，还例如红外跟踪传感器、光敏传感器等，从而获取红外信息，比如仪器的发热状态、实验室环境中某个热源体的发热情况、人员的活动情况；

所述听觉感知子模块包括超声波探测器，和/或次声波探测器，还例如声压传感器、超声波传感器、噪声传感器等；

所述嗅觉感知子模块包括气敏传感器，还例如二氧化硫传感器、湿度传感器、PM2.5传感器等，可以进行火情的烟气探测。

感知模块的危险识别包含视觉、听觉、嗅觉三方面。其中，视觉危险识别由危险识别模块分析红外(视觉)传感器采集来的数据而产生识别结果，监测到人体红外特征以外的危险特征时与本地危险数据库进行对比，对比成功则提醒相应危险名称。

嗅觉危险识别由危险识别模块识别气敏传感器采集的气体特征而得出识别结果，当危险气体浓度大于国家标准浓度时识别为危险到来。

听觉危险识别由危险识别模块识别声学传感器采集的声学特征而得出识别结果，当检测出次实验设备周边次声波和超声波异常时发出危险预警。

作为一种实施例，还包括蘑菇形外壳；所述蘑菇形外壳的顶端弧面上设置有透光视窗，所述视觉感知子模块通过所述透光视窗接收周围环境的感知信息。蘑菇形外壳顶端呈扁平椭球状，有着较大的空气接触表面积，能够为节点内的传感器感知周边环境变化提供结构优势，也便于感知模块中气敏传感器的扩展性部署。蘑菇形外壳由导热高分子材料构成，蘑菇形外壳的底部还装有一层具有防滑固定作用的磨砂玻璃膜，可方便吸附在平整物体表面(如墙体)。

作为一种实施例，所述感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块分别连接至一IC总线上。感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块通过所述IC总线(Inter Integrated Circuit Bus)进行通信。

作为一种实施例，所述感知模块还包括仪器信息获取模块；所述仪器信息获取模块与预设的仪器无线连接，获取所连接的仪器的运行状态信息。部分仪器自带故障判断机制，能够自我识别故障和异常情况，并将这种异常的运行状态信息发送至感知模块的所述仪器信息获取模块。通过这类仪器自身判别的异常的运行状态信息，能够使得实验室环境监测无线传感装置对周围环境的危险识别更加准确。

作为一种实施例，还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块相连，用于存储所述控制模块获得的所述安全信息。存储模块中所保存的安全信息为历史记录，为相关人员查找危险原因、危险预测提供了极大的助力。

作为一种实施例，所述存储子模块由至少一层耐高温抗腐蚀的包裹。

作为一种实施例，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点时，所述控制模块还用于根据自服务器接收的休眠命令或在预设时间段控制所述感知模块、危险识别模块、无线通信模块停止工作，自身进入待机状态。

作为一种实施例，所述安全等级以危险程度逐渐提升依次包括：正常、预警、报警；

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点时，所述控制模块还用于：

在接收的所述安全信息中的安全等级为预警时，通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，并通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令；

在接收的所述安全信息中的安全等级为报警时，仅通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种安全预警系统，包括服务器和若干个所述的实验室环境监测无线传感装置。若干所述实验室环境监测无线传感装置组成一感测网络，并选举确定领导节点和成员节点，成员节点在发现危险的状态下，即安全等级为预警和报警，向领导节点主动发送安全信息。领带节点在判断安全等级为预警时，还需要向该感测网络中的其他成员节点发送协作命令，成员节点响应所述协作命令向领导节点发送安全信息。所述安全信息中包含了预设时间内的近期感知信息。领导节点在接收到安全信息之后都需要向服务器转发。服务器将这些安全信息呈现给相关工作人员，便于协助其排除危险和故障。

以下为另一种可选的实施例。

请参考图1-图5，本实施方式提供一种用于化工实验室危险预警的实验室环境监测无线传感装置，包括无线通信模块、感知模块、电源管理模块、控制模块、危险识别模块、通线孔7和外壳17。

图1展示了本发明实施例提供的实验室环境监测无线传感装置的侧视图，从外观来看，该实验室环境监测无线传感装置的外壳整体呈蘑菇形状，顶部突出的棒状部分为无线通信模块的射频天线(也即图2和图3中标注的天线1)；顶部突起椭圆形部分为透光材料2，其下面是无线通信模块和感知模块的视觉传感器子模块；蘑菇头上面的网状洞为通风孔5。

传感器节点Node中电路板的结构紧凑、布局合理。内部共四层结构：

第一层电路板4为单面PCB(Printed Circuit Board)印刷电路板，上面布局有无线通信模块的控制电路和感知模块的视觉传感器子模块。

第二层电路板6为单面PCB电路板，包括感知模块的嗅觉感知子模块10、听觉传感器子模块11和感知模块控制电路12，其结构如图4所示。感知模块控制电路12用于控制感知信息的传输。

第三层电路板8主要布局有控制模块13和危险识别模块14，其结构图如图5所示。

第四层电路板9为电源模块。

蘑菇形外壳17由隔热钢化材料构成，抗热损伤、抗机械损伤。蘑菇形外壳17的头部四周分布有三个通风孔3和一个通声孔5，分别为节点感知实验室环境提供便利。

所述无线通信模块由射频天线1和天线电路组成，采用自适应功率控制方法。成员节点的无线通信模块的工作状态包括两种：正常工作态和休眠态。成员节点的通信模块的正常工作状态对应于节点的正常态、警戒态和危险态，休眠态对应待机状态。

所述控制模块13包括微处理器及其外围模块控制电路，主要承担计算和请求处理任务，模块间的数据传输一般也要经由控制模块13。

感知模块由视觉传感器子模块11、听觉传感器子模块、嗅觉传感器子模块10及感知模块控制电路12组成，其中嗅觉传感器子模块靠近通风孔，听觉传感器子模块靠近通声孔，分别来感知实验室环境中的不同变量变化，形成对实验室环境的全息立体感知。

如图5所示，由感知模块收集来的感知信息被存储在数据存储子模块16中，基于事先设定的模式识别(机器学习)算法来对当前的危险状况作出判断，其中的识别算法可是从服务器获取的算法并更新。

数据存储子模块16外包裹有一层耐高温、绝热、抗腐蚀保护材料，在实验室遭遇突发性危险时可以起到保护数据的作用，为后续实验室事故原因追查提供可靠证据。

电源模块包括5V锂电池阵列及其充放电控制电路，其控制电路包含220V直充电路。

蘑菇形节点柱状蘑菇体最下面装有固定防滑材料，可方便吸附在平整物体表面(如墙体)。

本实施例中领导节点向所有成员节点发送协作命令，收集多个节点的感知信息从而对某事件进行跟踪警戒，从其他节点获取的感知信息形成全息监控数据。

化工实验室中实验室环境监测无线传感装置的常见工作流程包括部署激活、初始化、正常监测、危险预警等环节。参考附图1、附图3，本实施例的工作流程可描述如下：

(1)部署激活，将节点部署在事先选定的优选位置，接通节点内部电源后自发启动控制模块和无线通信模块，向周边节点发出广播(主动寻找周边其他节点)，维护一个预设好的本地邻居路由表，接收到预设的节点信息后存储并建立连接，与其他节点形成ZigBee通信网络，等待网络稳定(无新节点加入时)。

(2)初始化，当无其他节点加入时，检查各模块完整性并进行软件更新，选举领导节点。

(3)正常监测，感知模块开始正常采集数据，监测化工实验室环境变量，危险识别模块将实时数据特征与本地危险数据库进行匹配，实现实时分析。

(4)危险预警，当发现安全等级上升至预警时，上报安全信息到领导节点，领导节点将预警等级的安全信息上报至电脑终端。而成员节点一旦发现报警等级的安全信息，领导节点则立刻上报电脑终端，电脑终端发出报警，请求管理人员主动采取安全措施。

(5)当电源模块中的锂电池阵列电量低于20％时发出充电通知，请求及时充电；充电完成时，发出电量充足通知，请求停止充电。

上述危险预警传感器节点对实验室环境变化有着全息感知能力，用来实时指导节点的行为，平时只需在危险识别模块中实时更新一些智能算法(机器学习算法)就能实时提高节电发现危险的能力，环境的变更不对节点感知能力产生影响。使用者可以在电脑端将利用历史数据(如晚上12点钟电脑端利用近期历史数据训练模型，早上节点有监测任务到达之前及时更新模型)训练出来的新模型定期更新到节点，以减少节点模型训练带来的能量消耗，这样以来利用化工实验室的环境数据来训练节点的识别能力，随着部署时间的增长其预警能力稳步增长。

进一步地，在其他实施例中，本发明经过微小变更可以用于更宽泛的场景中。例如，通过对节点内传感器类型的变更，节点可以有更好适应其他环境；通过对节点识别算法的提高(如采用深度学习算法)，节点可以具有更高的智能。例如，通过对节点头尾密封性能的提高，将通风孔、通声孔变更为散热材料，则该节点可以应用在水下危险环境监测方面。例如，如果节点应用场景对节点的计算能力要求不高的话，可以用CC2540芯片等集成芯片来替代节点多个模块。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，包括：感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块；

所述感知模块用于：检测获取周围环境的感测信息；

所述危险识别模块用于：根据所述感测信息获得周围环境的安全信息并发送至所述控制模块，所述安全信息包括安全等级和所述感测信息；

所述控制模块用于：

通过所述无线通信模块自动与预设的实验室环境监测无线传感装置建立无线连接组建感测网络，和

根据预设的选举协议与相连接的实验室环境监测无线传感装置确定领导节点和成员节点；

其中，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点，所述控制模块还用于在所述安全等级为预设范围时通过所述无线通信模块向所述领导节点发送所述安全信息，或响应自领导节点接收的协作命令通过所述无线通信模块向领导节点发送所述感测信息；或

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点，所述控制模块还用于通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，和/或通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令。

2.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，所述感知模块包括视觉感知子模块、听觉感知子模块和嗅觉感知子模块；

所述视觉感知子模块包括红外探测器；

所述听觉感知子模块包括超声波探测器，和/或次声波探测器；

所述嗅觉感知子模块包括气敏传感器。

3.根据权利要求2所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，还包括蘑菇形外壳；所述蘑菇形外壳的顶端弧面上设置有透光视窗，所述视觉感知子模块通过所述透光视窗接收周围环境的感知信息。

4.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，所述感知模块、危险识别模块、控制模块和无线通信模块分别连接至一IC总线上。

5.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，所述感知模块还包括仪器信息获取模块；所述仪器信息获取模块与预设的仪器无线连接，获取所连接的仪器的运行状态信息。

6.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块相连，用于存储所述控制模块获得的所述安全信息。

7.根据权利要求6所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，所述存储子模块由至少一层耐高温抗腐蚀的包裹。

8.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，实验室环境监测无线传感装置作为成员节点时，所述控制模块还用于根据自服务器接收的休眠命令或在预设时间段控制所述感知模块、危险识别模块、无线通信模块停止工作，自身进入待机状态。

9.根据权利要求1所述的一种实验室环境监测无线传感装置，其特征在于，所述安全等级以危险程度逐渐提升依次包括：正常、预警、报警；

实验室环境监测无线传感装置作为领导节点时，所述控制模块还用于：

在接收的所述安全信息中的安全等级为预警时，通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器，并通过所述无线通信模块向所有成员节点发送协作命令；

在接收的所述安全信息中的安全等级为报警时，仅通过所述无线通信模块将接收的所述安全信息转发至服务器。

10.一种安全预警系统，其特征在于，包括服务器和若干个如权利要求1-9任一所述的实验室环境监测无线传感装置。