CN106598014A - 一种用于实验室的安全监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实验室的安全监控系统，涉及一种监控系统，用于远程监控实验室的环境状况，其包括终端节点、控制器、服务器以及用户终端，它们依次通信连接，其中，控制器包括与服务器通信连接的主控制器，和与终端节点通过ZigBee通信模块连接的从控制器，主控制器与从控制器通过ZigBee通信模块连接；终端节点包括与从控制器通过ZigBee通信模块连接的监控模块以及与监控模块通信连接的实验室终端设备，监控模块用于监测实验室的环境参数，和/或接收从控制器的数据并将数据发送至实验室终端设备以执行相应的控制指令。本发明解决了传统安全监控系统可靠性低且对实验室发生的突发情况不能自我实时处理的问题。

Description

一种用于实验室的安全监控系统
技术领域
本发明涉及一种监控系统，特别是涉及一种用于实验室的安全监控系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的不断发展，各大高校、企业、研究所的实验室不断增多，实验室频发火灾、中毒、腐蚀、电击等安全事故，这严重威胁了科研人员的生命安全，也给科研场所等带来了严重的财产损失，因此，对于实验室安全监控的研究显得尤为重要。
传统的安全监控系统多数是基于有线或是基于蓝牙和WiFi等局域网络构建起来的，并且实验室安全监控的指标包括实验室内的温湿度、有害气体报警、防盗、供电以及设备运行情况等。
此时，一方面，由于有线安全监控系统需要依靠电缆作为传输信号线而电缆可能出现老化、潮湿短路等现象、并且电缆本身抗干扰能力差，无法适应强干扰环境，因此有线安全监控系统的可靠性很低；即使采用蓝牙通信，但由于蓝牙技术本身的局限性，会使得整个系统通信的范围较小且通信不稳定。另一方面，由于传统的安全监控系统只能用于对实验室环境的检测，即使实验室出现了问题，所述系统本身也无法自我解决问题，以做出防控策略。再者，由于传统的安全监控系统只能实现上述安全监控指标的其中几种，若要监控所有的指标，往往需要多套系统，从而使得传统的监控系统整体比较庞大、复杂，缺少集中化、综合化。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于实验室的安全监控系统，以解决现有技术中的监控系统可靠性低的问题。
本发明一个进一步的目的是要使得所述安全监控系统能够对实验室发生的突发情况经行自我实时处理。
本发明的另一个进一步的目的是要使得所述安全监控系统集中化、综合化。
特别地，本发明提供了一种用于实验室的安全监控系统，用于远程监控所述实验室的环境状况，所述安全监控系统包括终端节点、控制器、服务器以及用户终端，所述终端节点、所述控制器、所述服务器和所述用户终端依次通信连接，
其中，所述控制器包括与所述服务器通信连接的主控制器，和与所述终端节点通过ZigBee通信模块连接的从控制器，所述主控制器与所述从控制器通过ZigBee通信模块连接；
其中，所述终端节点包括与所述从控制器通过ZigBee通信模块连接的监控模块以及与所述监控模块通信连接的实验室终端设备，所述监控模块用于监测实验室的环境参数，和/或接收所述从控制器的数据并将所述数据发送至所述实验室终端设备以执行相应的控制指令。
进一步地，所述安全监控系统包括GPRS模块，其设于所述主控制器和所述服务器设备之间，用于将所述终端节点采集的图像数据发送给所述服务器，以使得所述服务器对所述图像数据进行分析比较并显示，以对所述实验室进行无线图像监控。
进一步地，所述监控模块包括传感器、多个控制开关、图像采集模块以及外设供电模块，所述ZigBee通信模块具有GPIO接口，所述传感器和图像采集模块均与所述GPIO接口相连，以采集实验室的环境参数，所述多个控制开关的一端连接所述GPIO接口，所述多个控制开关的另一端连接至所述实验室终端设备处，以控制所述实验室终端设备执行相应的控制指令。
进一步地，所述实验室终端设备包括能够针对所述监控模块监测的结果做出告警的装置，所述告警装置与所述多个控制开关的其中一个相连，以控制所述告警装置的开启。
进一步地，所述实验室终端设备还包括能够针对所述监控模块监测的结果做出相关决策的处理装置，所述处理装置与所述多个控制开关的其中一个相连，以控制所述处理装置的开启。
进一步地，实验室或教学楼或办公区中至少其一设有所述告警装置，用户通过所述告警装置获取做出报警的检测结果。
进一步地，所述主控制器具有wifi模块或GPRS模块。
进一步地，所述控制器由1个主控制器和多个从控制器组成。
进一步地，所述图像采集模块包括串口摄像头，所述传感器包括温湿度传感器，红外传感器，烟雾传感器和电流传感器。
进一步地，所述用户终端包括手机、平板电脑或PC机。
本发明的优点在于：
首先，由于本发明的终端节点处设有告警装置以及针对监测结果做出相关决策的处理装置，如此设置，一方面，当实验室出现类似不安全的情形时，告警装置发出示警并将示警信息发送至用户终端，管理人员通过用户终端可以实时掌握实验室的环境状况并且可以发送控制指令给监控模块，从而可以控制实验室终端设备的处理装置做出解决问题的相关策略；另一方面，实验室终端设备处具有处理装置，该装置能够根据监控模块监测的数据及时自动做出解决问题的策略，从而避免了实验室发生故障但未能及时排除故障的问题。
其次，所述安全监控系统通过ZigBee通信模块使所述控制器和所述终端节点连接，解决了有线安全监控系统需要依靠电缆作为传输信号线的弊端问题，并且所述安全监控系统采用ZigBee技术，成本低、网络容量大，同时在通信范围内传输的信号稳定可靠，避免了采用其他短距离通信技术的通信范围小或通信不稳定的弊端。
最后，由于所述安全监控系统的所述终端节点设有多种传感器并集成于一个模块，通过相应的所述传感器来检测实验室内的温湿度、有害气体报警、防盗、供电以及设备运行情况等指标，如此集中化的设置，使得所述安全监控系统安全且简便。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的一种用于实验室安全监控系统的示意性结构框图；
图2是图1所示的一种用于实验室的安全监控系统的示意性构架图；
图3是图2所示的终端节点1和从控制器2之间的通信结构框图；
图4是所述安全监控系统的图像匹配算法中特征检测的示意性检测图。
具体实施方式
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种便宜、低功耗的近距离无线组网通讯技术。图1是一种远程智能的实验室安全监控系统的示意性结构框图，以解决有线安全监控系统可靠性低的问题。同时结合图1和图2进行说明，所述安全监控系统一般性地可包括：终端节点1、控制器、服务器4以及用户终端5，所述终端节点1、所述控制器、所述服务器4、所述用户终端5依次通信连接。其中，所述控制器包括主控制器3和与所述终端节点1通过ZigBee通信模块连接的从控制器2，主控制器3与从控制器2通过ZigBee通信模块连接；终端节点1包括与从控制器2通过ZigBee通信模块连接的监控模块和与监控模块通信连接的实验室终端设备。其中，主控制器3可以通过ZigBee通信模块与实验室终端设备直接通信连接。
由于所述安全监控系统通过ZigBee通信模块使主控制器3和从控制器2、从控制器2和实验室终端设备或主控制器3和实验室终端设备通信连接，而ZigBee通信模块可以具有低功耗、低成本、网络容量大、网络的自组网和自愈能力强且可以双向通信的功能，因此，不仅可以解决有线安全监控系统需要依靠电缆作为传输信号线的弊端问题，而且所述安全监控系统采用ZigBee技术，成本低网络容量大，在通信范围内传输的信号稳定可靠，避免了采用其他短距离通信的弊端。此外，所述终端节点1可以包括监控模块以及实验室终端设备，通过所述监控模块可以采集所述实验室环境参数以实现对所述实验室环境进行检测，或可以接收从控制器2的数据并发送给实验室终端设备以执行控制指令，并且可以通过控制实验室终端设备实现对监测的结果做出防控的决策，从而可以避免实验室发生故障但未能及时排除故障的问题。
其中，ZigBee通信模块可以由带ZigBee物理接口的芯片加上控制芯片构成，也可以由SOC片上集成系统构成，主要包括单芯片集成RF和控制器。
如图2所示，其中用户终端5，服务器4，主控制器3，从控制器2，终端节点1依次通信连接；图3是根据图2所示的终端节点1和从控制器2之间的通信结构框图。
在另一实例中，安全监控系统还可以包括设置在所述主控制器3和所述服务器4之间的GPRS模块，可以将终端节点1采集到的图像数据通过该GPRS模块发送至服务器4，服务器4将接收的图像数据进行分析比较，并显示分析比较的结果，从而用户终端5可以通过服务器4可以实现对终端节点1的无线监控。其中，ZigBee通信模块可以包括ZigBee协调器和ZigBee路由器。
在无线监控时，所述监控模块可以包括一个串口摄像头，以完成图像的采集和压缩并通过ZigBee通信模块将接收到的数据发送给主控制器3，主控制器3通过GPRS模块将数据发送到服务器4，服务器4将图像数据与存储的预设值图像模板进行分析比较，从而可以实现对终端节点1的远程监控。其中，当图像数据传输到服务器时，可以根据预设置的图像模板依靠高效率的图像匹配算法完成对实验室内异常现象的自动监控，如此，可以在大大节省人工监控成本的情况下，实现对监控对象的远程无线智能监控，即当管理员不在实验室时，也可以通过用户终端5随时随地监控实验室的环境。在上述无线监控的过程中，通过两个独立的远近距离传输相结合的传输过程，可以提高安全监控系统的稳定性。
其中，图像匹配算法的特征检测的核心思想是根据带检测点与其领域点灰度差值来判别特征点，如图4所示。一般可以采用r＝3的图像模板，比较O点半径为3的领域的16个点，并可以根据公式1进行判断，若灰度差超过阀值t的点达到n，则该点可以为特征点。
其中，T0是检测图像圆环上各种点的个数，d，s，b分别为较暗点、相似点以及较亮点，Hi为圆环中i点的灰度值，H0为检测点的灰度值。
根据上述过程检测的特征点数量很大，容易产生大量重复聚集的特征点，从而不利于图像匹配。因此，基于图像匹配算法，可以设置约束条件，如公式2所示：
在特征点检测中，可能匹配到多个相邻的特征点，造成误匹配，因此必须要计算局部极值来去除不是本质特征点的极值点，因此，可以构建一评价函数W，如公式3所示。
其中，Sb＝{N|Hi≥Ho+t}；Sd＝{N|Hi≤Ho-t|根据式3保留数值最大的点作为最终的特征点，将邻域其他点删除。
根据上述图像匹配算法进行图像的特征描述和匹配，在保证图像匹配精确的情况下，可以极大地降低运算的复杂度，从而提高运算速度，以更好地适应各种应用环境。
在图2至图3任一项实施例中，所述监控模块可以包括传感器、多个控制开关、图像采集模块以及外设供电模块，ZigBee通信模块可以具有GPIO接口，传感器和图像采集模块均可以与GPIO接口相连，从而可以采集实验室的环境参数，多个控制开关的一端连接所述GPIO接口，该多个控制开关的另一端连接至实验室终端设备处，从而可以控制所述实验室终端设备执行相应的控制指令。
当安全监控系统对实验室进行监控时，可以通过实验室的终端节点1处的传感器对实验室的环境数据进行采集，并将采集到的数据进行数模转换，再将经过数模转换后的数据传送至相应的从控制器2，从控制器2将接收到的数据发送至主控制器3，主控制器3接收所述从控制器2向其发送的数据并传送至所述服务器4，此时服务器4对其接收的数据再进行处理分析，并通过网页实时显示出来，此时，管理员可以通过用户终端5对所述网页上显示的相关数据进行实时访问。
由于实验室终端设备可以安置有与其相连的告警装置，当所述传感器检测的结果反应实验室出现不正常的状况时，所述服务器4可以自动发出报警指令，从而控制所述终端节点1的告警装置，以引起周围的管理员或其他用户的注意。
在实验室或教学楼或办公区处均可以设有所述告警装置，位于所述实验室或所述教学楼或所述办公区的管理员或其他用户可以通过告警装置获取所述告警装置已做出报警的所述检测结果，从而可以大范围地引起人群的注意。
当所述实验室的内部或周围都没有人在时，仅有告警装置可能不会对实验室起到实时保护的作用，因此，本安全监控系统还可以包括与所述监控模块的其中一个控制开关相连的处理装置，该处理装置可以具有自行启动对处于危险状况的实验室进行处理的功能，或者管理员可以通过用户终端5对所述网页上显示的相关数据实时访问，当发现显示的相关数据反应了实验室出现危险状况，并且管理员无法及时赶到实验室时，管理员可以对所述处理装置发送控制指令，所述指令由服务器4通过GPRS传至主控制器3，由主控制器3发送给相应的从控制器2，再由相应的从控制器2传送至所述实验室终端节点处的处理装置，该处理装置可以执行相应的控制指令。比如，当实验室的终端节点1处的传感器检测到实验室发生火灾时，该处理装置可以通过其内部开关切断实验室电源并发出报警提示，或者管理员可以通过实时访问所述网页上显示的相关数据，发现实验室处于危险状况时，可以通过所述网页对所述处理装置发送断开电源的控制指令，通过服务器4、主控制器3、从控制器2传送至所述终端节点1，终端节点1通过控制开关控制处理装置执行控制指令，最终切断电源，从而达到预防灾难的目的。又比如，当检测到某一化学实验室的有害气体浓度过高时，所述实验室终端设备的处理装置可以自行启动打开通风橱的功能，从而可以降低有害气体的浓度。
同时，由于所述安全监控系统的所述终端节点1可以设有多种传感器并集成于一个模块，通过相应的所述传感器来检测实验室内的温湿度、有害气体浓度、防盗、供电以及设备运行情况等指标，如此集中化的设置，使得所述安全监控系统安全且简便。
比如，在终端节点1处可设有光线传感器，该光线传感器可以根据需要调节光控灵敏度，当光线亮度高于设定的强度时，则自动关闭实验室内的灯光，当光线亮度低于设定的强度时，则开启实验室内灯光。如此，当实验室人员离开而忘记关闭灯光时，通过该安全监控系统可以实现自动控制实验室灯光的目的，从而可以节约能源。其中，光线传感器通过继电器(控制开关)控制实验室灯光。同理，在终端设节点1处设有温湿度传感器，该温湿度传感器通过继电器控制温控设备的自动开启或关闭。
又比如，在终端设节点1处设有人体红外传感器，当处于放假时期时，可以人工设置为开启红外传感器的模式，此时，若有人闯入室内，红外传感器则可通过检测的信息控制告警装置以示警，同时，可将信息发送给管理员，以做防卫保护工作；而在正常工作日时，红外传感器则可将工作模式切换为控制灯光开启的功能，若检测到有人时，则通过继电器自动开启灯光，若无人，则自动关闭灯光。
进一步地，为了可以实现远程数据更加稳定地传输，所述主控制器3可以具有wifi模块或GPRS模块。
同时，由于主控制器3可以具有wifi模块或GPRS模块，因此主控制器3的成本很高，若控制器都采用主控制器3进行数据传输，则所述安全监控系统的成本会很大；若控制器都采用从控制器2，由于其内部不具有wifi模块或GPRS模块，不能稳定地传输远程数据，因此所述控制器可以由1个主控制器3和多个从控制器2组成，从控制器2可以分担主控制器3的负担，如此设计，不但可以实现稳定传输远程数据的目的，而且也大大降低了所述安全监控系统的成本。
进一步地，所述ZigBee通信模块可以为CC2530芯片，可以降低开发难度，提高系统的通用性。
进一步地，为了可以同时实现对实验室环境的多方面测量，所述传感器包括温湿度传感器，红外传感器，烟雾传感器，电流传感器。
进一步地，为了便于管理员可以对实验室的环境状况进行实时访问，所述用户终端5可以包括手机、平板电脑或PC机等。
本发明所述远程智能的实验室安全监控系统的使用过程可以为：
首先，安置在实验室的所述终端节点1处的所述传感器采集温湿度、有害气体浓度、防盗、供电以及设备运行情况等实验室环境数据，并将采集的数据经过数模转换后发送至相应的所述从控制器2，从控制器2接收数模转换后的数据并传送至主控制器3，主控制器3接收并传送至所述服务器4，服务器4将接收到的数据进行存储并对所述数据处理分析后通过所述网页显示出来。
其次，管理员可以通过所述用户终端5的手机、平板电脑或PC机等针对所述网页显示的数据发送控制指令，通过服务器4、主控制器3、从控制器2传送至终端节点1处的处理装置，该处理装置接收并执行所述控制指令，最终可以达到预防灾难的目的。
最后，当实验室的所述终端节点1处的传感器检测到实验室出现异常，比如发生火灾时，该处理装置可以通过继电器自动切断实验室电源并发出报警提示。
在图1至图3任一项实施例中，所述用于实验室的安全监控系统也可以用于其他监控系统中，如办公区或教学楼等需要安全监控的地方。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种用于实验室的安全监控系统，用于远程监控所述实验室的环境状况，其特征在于，所述安全监控系统包括终端节点、控制器、服务器以及用户终端，所述终端节点、所述控制器、所述服务器和所述用户终端依次通信连接，
其中，所述控制器包括与所述服务器通信连接的主控制器，和与所述终端节点通过ZigBee通信模块连接的从控制器，所述主控制器与所述从控制器通过ZigBee通信模块连接；
其中，所述终端节点包括与所述从控制器通过ZigBee通信模块连接的监控模块以及与所述监控模块通信连接的实验室终端设备，所述监控模块用于监测实验室的环境参数，和/或接收所述从控制器的数据并将所述数据发送至所述实验室终端设备以执行相应的控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述安全监控系统包括GPRS模块，其设于所述主控制器和所述服务器之间，用于将所述终端节点采集的图像数据发送给所述服务器，以使得所述服务器对所述图像数据进行分析比较并显示，以对所述实验室进行无线图像监控。
3.根据权利要求2所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述监控模块包括传感器、多个控制开关、图像采集模块以及外设供电模块，所述ZigBee通信模块具有GPIO接口，所述传感器和图像采集模块均与所述GPIO接口相连，以采集实验室的环境参数，所述多个控制开关的一端连接所述GPIO接口，所述多个控制开关的另一端连接至所述实验室终端设备处，以控制所述实验室终端设备执行相应的控制指令。
4.根据权利要求3所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述实验室终端设备包括能够针对所述监控模块监测的结果做出告警的装置，所述告警装置与所述多个控制开关的其中一个相连，以控制所述告警装置的开启。
5.根据权利要求4所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述实验室终端设备还包括能够针对所述监控模块监测的结果做出相关决策的处理装置，所述处理装置与所述多个控制开关的其中一个相连，以控制所述处理装置的开启。
6.根据权利要求5所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，实验室或教学楼或办公区中至少其一设有所述告警装置，用户通过所述告警装置获取做出报警的检测结果。
7.根据权利要求6所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述主控制器具有wifi模块或GPRS模块。
8.根据权利要求7所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述控制器由1个主控制器和多个从控制器组成。
9.根据权利要求8所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述图像采集模块包括串口摄像头，所述传感器包括温湿度传感器，红外传感器，烟雾传感器和电流传感器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种用于实验室的安全监控系统，其特征在于，所述用户终端包括手机、平板电脑或PC机。
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