CN114035475A - 一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统 - Google Patents

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刘澜
谢雨润
杨天罡
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Abstract

本发明公开了一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，包括通信系统以及警报系统；所述通信系统电性连通警报系统，且所述通信系统由后端数据采集发送系统以及web前端系统组成；利用树莓派A以及树莓派B，其中树莓派A作为数据站接收数据，并同时采集图像系统，并提供实验室内的数据可视化，树莓派B能够与实验室设备通讯，采集温湿度数据、真空规数据并负责数据发送，且作为数据站的树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具有天气预报、实验室温湿度和真空规示数监控、漏水检测、视频监控等多种实用功能，保证了实验室设备数据信息以特定频率通过树莓派B单向向外网传送，从而保证了信息的安全性，且规避了实验室存在的潜在风险。

Description

一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统
技术领域
本发明涉及监控系统技术领域，具体是一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统。
背景技术
现代科研实验室中，实验室的设备运行状态、环境温湿度，以及数据的存储和安全问题是核心，一个好的局域网系统和监控报警系统不仅可以方便实验人员的工作，并且对于实验室的潜在危险起到了提醒和预警作用。
例如实验室超高真空系统的破坏可造成样品污染、仪器设备损坏等；实验室温湿度变化与高精度实验结果的准确性密切相关；实验室漏水事故会导致一系列严重的后果，保护设备断电，引起化学药品起火等。
本监控和组网方案根据物理化学实验室实际情况而设计，由于成本低廉且安全度高，且具有可扩展性，例如增加其他需要监测的设备，因此可推广到所有相关科研实验室应用；因此，针对上述问题提出一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统。
发明内容
为了弥补现有技术中实验室中，设备的运行状态，以及实验室环境的温湿度等信息监控不及时进而导致实验室存在潜在的危险的问题，本发明提出的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统。
一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，包括通信系统以及警报系统；所述通信系统电性连通警报系统，且所述通信系统由后端数据采集发送系统以及web前端系统组成；
所述后端数据采集发送系统包含有树莓派A以及树莓派B，且所述树莓派A作为数据站，用于接收数据，同时采集图像数据，并提供对实验室内的数据可视化；所述树莓派B与实验室设备通讯，用于采集实验室设备的温湿度数据、真空度数据，并负责数据的传输；
所述web前端系统中，树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具备多种功能；而树莓派B则可以特定频率将实验室设备数据信息单向向外网传送；
具体的，树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具备天气预报、实验室温湿度以及真空规示数监控、漏水检测、食品监控等功能，且监控设备可进行扩展。
优选的，所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网；其中内外网通过不同网段和VLAN实现数据不互通，进而保护内网；VLAN技术将一个物理局域网在逻辑上划分为多个子网(广播域)，多个用户可在同一子网中进行互访，而不同子网间的用户被隔离。
优选的，所述警报系统包含警笛以及DAQ970模块，其中DAQ970模块作为警报系统中的数据接收模块；所述警报系统电性连通后端数据采集系统，且在后端数据采集系统通过树莓派B采集数据后，警报系统通过内置的DAQ970模块将采集数据与预设参数对比，若实验室的环境与预设参数有出入，则触发警笛报警，同时向预设的指定邮箱发送邮件。
优选的，所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网后，可将实验室中的数据采集工控机、内部电脑、树莓派A、树莓派B以及各仪器仪表实验室数据核心置于内网；而数据服务器、存储系统、个人电脑置于外网中。
优选的，所述树莓派A以及树莓派B作为后端数据采集发送系统中的微处理器，且树莓派A以及树莓派B上开设有多种接口，包括串口、NI-VISA端口以及GPIO接口；其中通过串口、NI-VISA端口，利用SCPI指令集可与实验室仪器进行通讯，而GPIO接口可接入多种不同的传感器以及控制模块。
优选的，所述树莓派B利用基于Python软件实现对后端数据的采集，且树莓派A基于Apache服务搭建web服务器，实现前端可视化网站，以此直观通过互联网访问实验室的环境监控数据。
优选的，所述后端数据采集发送系统中，对于需要经常进行试验操作的仪器，采用LabVieW软件进行控制；而所述web前端系统中，使用eChars可视化数据、并利用jQuery获取服务器的数据，最终通过花生壳内网穿透工具对实验室的环境进行监控。
优选的，所述DAQ970模块能够对接收的监控参数进行逻辑分析，并通过编程设置各监控参数的报警上下限以及报警输出信息；其中在DAQ970模块输出报警信息时，报警信息包含：其一，发送当前实验室状态以及照片的邮件给实验室成员；其二，输出报警数字信号，且该信号为TTL数字信号，通过继电器控制警笛启动，以及切断对重要仪器的电源以保护重要仪器。
本发明的有益之处在于：
本发明通过利用树莓派A以及树莓派B，其中树莓派A作为数据站接收数据，并同时采集图像系统，并提供实验室内的数据可视化，树莓派B能够与实验室设备通讯，采集温湿度数据、真空规数据并负责数据发送，且作为数据站的树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具有天气预报、实验室温湿度和真空规示数监控、漏水检测、视频监控等多种实用功能，保证了实验室设备数据信息以特定频率通过树莓派B单向向外网传送，保证了信息的安全性，避免通过外网恶意控制实验室设备，且规避了实验室存在的潜在风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一种实施例的通信系统结构示意图；
图2为本发明中实验室网络的基础拓扑结构示意图；
图3为本发明中C#版的运行示意图；
图4为本发明中树莓派内部的Python监控程序示意图；
图5为本发明一种实施例的网站主页示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5所示，一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，包括通信系统以及警报系统；所述通信系统电性连通警报系统，且所述通信系统由后端数据采集发送系统以及web前端系统组成；
所述后端数据采集发送系统包含有树莓派A以及树莓派B，且所述树莓派A作为数据站，用于接收数据，同时采集图像数据，并提供对实验室内的数据可视化；所述树莓派B与实验室设备通讯，用于采集实验室设备的温湿度数据、真空度数据，并负责数据的传输；
所述web前端系统中，树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具备多种功能；而树莓派B则可以特定频率将实验室设备数据信息单向向外网传送。
具体的，树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具备天气预报、实验室温湿度以及真空规示数监控、漏水检测、食品监控等功能，且监控设备可进行扩展；后端数据采集发送系统通过基于Python的软件对硬件进行控制以及数据采集，可以将实验室的环境监控数据写入数据集中，局域网内部使用基于LabView、C#的程序对数据进行可视化，并利用web前端系统调用数据集，将实验室当前监控数据可视化为网站，方便实验人员对实验室环境参数进行监控。
作为本发明的一种实施方式，所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网；其中内外网通过不同网段和VLAN实现数据不互通，进而保护内网；VLAN技术将一个物理局域网在逻辑上划分为多个子网(广播域)，多个用户可在同一子网中进行互访，而不同子网间的用户被隔离。
具体的，内外网隔离是使用基于子网的VLAN划分方法实现的，其中VLAN可以看作为物理交换机，分为逻辑上的两个分离的交换机，并根据网络主机使用的IP地址所在的网络子网来划分广播域，病例与二层交换机实现，此实现方法可以使IP地址属于同一个子网中的主机位于同一个广播域，实验室网络由两个VLAN网段组成，这两个网段分别用于连接互联网的局域网和与互联网隔绝的局域网。其中，与互联网隔绝的实验室局域网呈星形拓扑结构；该种VLAN划分方法管理配置灵活，网络用户自由移动位置而不需重新配置主机或交换机，并且可以按照传输协议进行子网划分，人而实现针对具体应用服务来组织网络用户。
作为本发明的一种实施方式，所述警报系统包含警笛以及DAQ970模块，其中DAQ970模块作为警报系统中的数据接收模块；所述警报系统电性连通后端数据采集系统，且在后端数据采集系统通过树莓派B采集数据后，警报系统通过内置的DAQ970模块将采集数据与预设参数对比，若实验室的环境与预设参数有出入，则触发警笛报警，同时向预设的指定邮箱发送邮件。
具体的，DAQ970A模块，可以输入温度、电流和电压，并可编程的设置通道扫描时间、通道报警上下限以及报警输出信息等等参数；其中报警数字信号由低电平TTL数字信号触发继电器通路，从而使得警笛报警以及重要仪器的关断，而DAQ970A模块不能直接通过SCPI指令改变报警输出，故该树莓派B通过改变温度报警下限来控制报警器的开关。
作为本发明的一种实施方式，所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网后，可将实验室中的数据采集工控机、内部电脑、树莓派A、树莓派B以及各仪器仪表实验室数据核心置于内网；而数据服务器、存储系统、个人电脑置于外网中。
具体的，仪器控制工控机、数据采集工控机、串口服务器、仪器仪表、树莓派A以及树莓派B构成了互联网隔离的局域网；
作为本发明的一种实施方式，所述树莓派A以及树莓派B作为后端数据采集发送系统中的微处理器，且树莓派A以及树莓派B上开设有多种接口，包括串口、NI-VISA端口以及GPIO接口；其中通过串口、NI-VISA端口，利用SCPI指令集可与实验室仪器进行通讯，而GPIO接口可接入多种不同的传感器以及控制模块。
具体的，树莓派A以及树莓派B均为一种成本低且可拓展性强的微处理器，完全可以满足内网组网服务器的主要功能，且不影响整个监控系统的安全性以及稳定性；串口服务器的作用是通过串口通信(RS232/485，USB)而不能通过RJ45接口/网络通信模块接入网络的仪器设备(例如大部分示波器、真空规等等)接入互联网，从而可以使设备用TCP/IP、UDP协议或者NI的DataSocket协议进行通信，而不仅仅局限于依赖NI-VISA。
串口服务器的不同接口可以设置不同的端口、波特率、校验位等等参数；利用宇泰UT-6608型串口服务器的部署，真空规的监视器兼控制器通过此串口服务器与实验室的设备进行通信，且通过串口服务器，使得多种平台的实验室监控变得不再困难。
作为本发明的一种实施方式，所述树莓派B利用基于Python软件实现对后端数据的采集，且树莓派A基于Apache服务搭建web服务器，实现前端可视化网站，以此直观通过互联网访问实验室的环境监控数据。
具体的，树莓派A以及树莓派B是一个ARM架构的微型电脑，并且具有可编程的GPIO(通用输入输出接口)，可像数字模拟采集卡一样输入/输出数字或者模拟信号；本实验室使用树莓派B接入实验室的局域网，与串口服务器通信，从而获取实验室真空装置的真空度，并利用PyVisa包向DAQ970A模块发送SCPI指令集来控制漏气的报警；树莓派B可接入GPIO的温湿度检测器如DHT22进行温湿度监控，以及各种USB或者RPi摄像头进行实时流媒体传输服务；树莓派B处理完以上数据之后，可将数据以json形式传输到web服务器中，以供web服务器前端调用去，且该数据流以3分钟读取一次，可以按需提升读取速度。
作为本发明的一种实施方式，所述后端数据采集发送系统中，对于需要经常进行试验操作的仪器，采用LabVieW软件进行控制，对于其他部分则以简洁易用为主；而所述web前端系统中，使用eChars可视化数据、并利用jQuery获取服务器的数据，最终通过花生壳内网穿透工具对实验室的环境进行监控。
具体的，本实验室配备了基于LabView、C#和python的真空读取程序来可视化的获取当前实验室设备的真空度，且使用不同语言是考虑到了不同平台的不同特性；LabView版可以以N.NN±N的形式读取出当前的真空度，并可以通过setting标签来设置显示的字体大小与标签，并且如果串口服务器的地址改变了，还可以改变地址重新创建套接字进行通信。在实验室后端数据采集的基础上开发了一个用于实验室监控的网站，并基于Apache搭建了一个web服务器，使用eCharts可视化数据、jQuery获取服务器的数据，并通过花生壳内网穿透工具实现在接入了互联网的任何地点任何时间都能实时对实验室的环境进行监控。
作为本发明的一种实施方式，所述DAQ970模块能够对接收的监控参数进行逻辑分析，并通过编程设置各监控参数的报警上下限以及报警输出信息；其中在DAQ970模块输出报警信息时，报警信息包含：其一，发送当前实验室状态以及照片的邮件给实验室成员；其二，输出报警数字信号，且该信号为TTL数字信号，通过继电器控制警笛启动，以及切断对重要仪器的电源以保护重要仪器。
具体的，设计了一个物理开关，以控制报警有效/无效，以方便正常维护时的充气操作，使用了树莓派B的GPIO接口，通过此物理开关控制两个针脚之间的通断，从而控制报警有效/无效；此外，在报警信号输出时能通过Python编程通过SMTP协议与公共邮件服务器通信，进行报警邮件的自动发送，包含报警时的温湿度、图像等信息以供科研人员快速对实验室的异常情况进行处理。
通过利用树莓派A以及树莓派B，其中树莓派A作为数据站接收数据，并同时采集图像系统，并提供实验室内的数据可视化，树莓派B能够与实验室设备通讯，采集温湿度数据、真空规数据并负责数据发送，且作为数据站的树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具有天气预报、实验室温湿度和真空规示数监控、漏水检测、视频监控等多种实用功能，保证了实验室设备数据信息以可以以特定频率通过树莓派B单向向外网传送，保证了信息的安全性，避免通过外网恶意控制实验室设备。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：包括通信系统以及警报系统；所述通信系统电性连通警报系统，且所述通信系统由后端数据采集发送系统以及web前端系统组成；
所述后端数据采集发送系统包含有树莓派A以及树莓派B，且所述树莓派A作为数据站，用于接收数据，同时采集图像数据，并提供对实验室内的数据可视化；所述树莓派B与实验室设备通讯，用于采集实验室设备的温湿度数据、真空度数据，并负责数据的传输；
所述web前端系统中，树莓派A使用Apache服务实现基于html5的网站服务，具备多种功能；而树莓派B则可以特定频率将实验室设备数据信息单向向外网传送。
2.根据权利要求1所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网；其中内外网通过不同网段和VLAN实现数据不互通，进而保护内网；VLAN技术将一个物理局域网在逻辑上划分为多个子网(广播域)，多个用户可在同一子网中进行互访，而不同子网间的用户被隔离。
3.根据权利要求2所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述警报系统包含警笛以及DAQ970模块，其中DAQ970模块作为警报系统中的数据接收模块；所述警报系统电性连通后端数据采集系统，且在后端数据采集系统通过树莓派B采集数据后，警报系统通过内置的DAQ970模块将采集数据与预设参数对比，若实验室的环境与预设参数有出入，则触发警笛报警，同时向预设的指定邮箱发送邮件。
4.根据权利要求3所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述通信系统通过交换机实现内外网隔离组网后，可将实验室中的数据采集工控机、内部电脑、树莓派A、树莓派B以及各仪器仪表实验室数据核心置于内网；而数据服务器、存储系统、个人电脑置于外网中。
5.根据权利要求4所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述树莓派A以及树莓派B作为后端数据采集发送系统中的微处理器，且树莓派A以及树莓派B上开设有多种接口，包括串口、NI-VISA端口以及GPIO接口；其中通过串口、NI-VISA端口，利用SCPI指令集可与实验室仪器进行通讯，而GPIO接口可接入多种不同的传感器以及控制模块。
6.根据权利要求5所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述树莓派B利用基于Python软件实现对后端数据的采集，且树莓派A基于Apache服务搭建web服务器，实现前端可视化网站，以此直观通过互联网访问实验室的环境监控数据。
7.根据权利要求6所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述后端数据采集发送系统中，对于需要经常进行试验操作的仪器，采用LabVieW软件进行控制；而所述web前端系统中，使用eChars可视化数据、并利用jQuery获取服务器的数据，最终通过花生壳内网穿透工具对实验室的环境进行监控。
8.根据权利要求7所述的一种低成本、安全性高的实验室设备环境网络监控系统，其特征在于：所述DAQ970模块能够对接收的监控参数进行逻辑分析，并通过编程设置各监控参数的报警上下限以及报警输出信息；其中在DAQ970模块输出报警信息时，报警信息包含：其一，发送当前实验室状态以及照片的邮件给实验室成员；其二，输出报警数字信号，且该信号为TTL数字信号，通过继电器控制警笛启动，以及切断对重要仪器的电源以保护重要仪器。
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