摘 要： 將無線傳感器網絡應用于生物實驗室，對傳統的生物實驗方式和實驗室管理進行改進，提出了一種基于無線傳感器網絡的生物實驗室設計方案。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；生物實驗室；溫室；視頻監控
隨著國家對科研的重視和支持，中國的科研條件已經有了很大的改善，生物實驗室的現代化水平也在不斷提高，擁有很多昂貴、精密的儀器設備，因此對實驗室的火、電等安全性能要求很高。另一方面，很多生物樣品和數據具有收集周期長、樣品來源稀缺、不易重復等特點，對于樣品的保存和安全穩定問題也有很高的要求。但目前對于生物實驗室的設計多關注其中化學藥品等的安全性，對于儀器使用和樣品保存等方面的安全性關注較少，現代化程度不高。因此，研究如何應用現代網絡和電子產品對生物實驗室的安全性控制進行改進具有重要的現實意義。
無線傳感器網絡作為一種新興的應用型網絡，由部署在監測區內的大量傳感器節點組成，以自組織的方式形成一個多跳的網絡系統，其目的是采集和處理網絡覆蓋區域內監測對象的信息，并發送給管理者。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，改變人類與自然界的交互方式。目前傳感器網絡的應用包括環境監測、醫療診斷、智能家居、軍事應用等多個方面[1-3]。
本文將無線傳感器網絡應用于生物實驗室，對傳統的生物實驗方式和實驗室管理進行了改進，提出了一種基于無線傳感器網絡的生物實驗室設計方案。該方案將生物實驗室根據功能劃分為辦公區、實驗區和溫室三個區域。針對各區域的不同特點，通過傳感器節點、匯聚節點和服務器的有機結合，構建一個新型、安全和智能的生物實驗室。該方案與傳統生物實驗室工作模式相比，具有工作效率更高、實驗數據采集更準確、安全性更高的優點；并且網絡構建成本較低，易與現有網絡互聯，可操作性更強。目前，針對實驗室環境尤其是生物實驗室方面的無線傳感器網絡的應用研究較少，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驗室等應用環境。
1 系統結構、通信協議和拓撲結構
1.1 系統結構
如圖1所示，生物實驗室的無線傳感器網絡系統由三個區域中的傳感器節點、匯聚節點、視頻監控終端、服務器和管理終端組成。傳感器節點分布在各監測區域內，采集各種相關數據信息，包括電壓傳感器、氣體傳感器、光照傳感器等各種類型。各傳感器節點通過ZigBee協議，將數據傳送給匯聚節點。匯聚節點是連接無線傳感器網絡與外部網絡的接口，能實現兩種不同協議棧間通信協議的轉換，還能對傳送的數據進行匯總、數據冗余等處理，也能對傳感器節點發布監測任務等。匯聚節點既可以是功能強大的傳感器節點，也可以是僅有無線通信功能的特殊網關設備[3]。在本系統中，匯聚節點選用網關設備。匯聚節點接收到來自各傳感器節點的數據進行相應處理后，將其通過Internet傳送至服務器。服務器對采集的數據進行相應處理，并將處理結果發送至管理終端界面，以供管理人員進行管理。
1.2 系統的拓撲結構和協議
本系統的無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，系統終端的傳感器節點間采用ZigBee協議。ZigBee協議是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的組網、安全和應用軟件等方面的技術標準，非常適合低功率、低成本、低速率的應用環境。該網絡采用的星型拓撲結構支持點對點、點對多點的通信，中心節點為匯聚節點，所有數據通過匯聚節點；星型拓撲結構適合圓形分散、距離較近的無線傳感器聯網。
2 系統功能設計和節點選擇
2.1 辦公區的功能設計和節點選擇
實驗室的辦公區是工作人員和學生辦公和學習的地方，因此本區域的防火、防盜、防震是監控的重點。當有斷電、火災、地震等意外情況發生時，各傳感器節點如電壓傳感器、溫度傳感器、防震傳感器等將采集的數據傳送到匯聚節點，匯聚節點對數據進行相關處理后將其傳送到服務器；服務器的報警模塊對該數據進行相應處理。另一方面，為了使辦公室更安全，辦公區的電燈、冰箱、微波爐等家用電器也分別安裝上電壓傳感器等自動裝置。為了進一步保證辦公室安全，需要對辦公區進行實時視頻監控，因而該區域還安裝有視頻監控系統。如圖2所示，攝像頭對監控區域的實時圖像進行采集，并將采集的圖像數據傳送至PNX1500處理器內核，處理器通過100 M以太網連接至服務器，服務器可對處理器傳送過來的實時圖像進行監視、存儲、回放和編輯等處理。
根據辦公區的防火特點，本區域內的溫度傳感器可采用AD公司生產的數字溫度傳感器芯片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℃，采用節省空間的SOT-23和MSOP兩種封裝模式，具有溫度轉換精度高、功耗低、串行接口靈活方便等特點。
地震傳感器采用成都美幻科技有限公司的德祥1系列產品，該產品可檢測P波和S波，具備預警和報警功能、“救命”呼喊和無線SOS求救功能， 報警靈敏度高，誤報警次數少，內置電池容量大，可以在外接電源斷電后持續工作72小時，內置了免維護的可充電電池，可設定報警烈度，耗電量低。
電壓傳感器選擇LEM公司的Eta電流傳感器，Eta技術涵蓋了開環和閉環兩種原理，集它們的優點于一身，可測量交流電和直流電，測量范圍是200 A，且測量范圍可擴展；單端5 V供電，帶寬范圍大，低功率損耗。
2.2 實驗區的功能設計和節點選擇
實驗區根據功能可劃分為實驗操作區和設備區。實驗操作區通常存放有危險、有毒甚至劇毒的化學藥品，生物實驗過程中也會產生有害氣體，因此實驗操作區的監控重點是防毒、防火。設備區放置有各種類型的大型實驗儀器設備，需安裝電壓傳感器來對儀器設備的電壓進行實時檢測，以保證實驗儀器設備及實驗樣品的安全性。如果實際電壓值超出預定門限值時，切斷市電輸入，同時啟動UPS。所以，整個實驗區設置有氣體傳感器、溫度傳感器、防震傳感器和電壓傳感器。為了進一步保證實驗區的安全，該區域還安裝有視頻監控終端。
氣體傳感器布置在實驗臺、通風櫥、超凈臺、藥品柜等存放危險化學藥品和易產生有毒氣體設施的位置，形成星型拓撲結構。該傳感器選用瑞士Membrapor公司的電化學式傳感器，電化學式傳感器利用氧化還原反應，通過不同的電解質可檢測幾十種有毒氣體，包括CO、SO2、NO、NH3、CL2、HCL等，測量范圍為0～1 000 ppm，分辨率為0.1～4 ppm。
溫度傳感器布置在實驗區內角落位置、電源插口處、易發生火災的地方，形成星型拓撲結構，同樣可采用AD公司生產的數字溫度傳感器芯片ADT7301。
設備區中通常有許多大型的儀器設備，價格昂貴。非正常情況下的斷電，對大型儀器設備的損壞性非常大，有些損失甚至是不可彌補的。如實驗室內的超低溫冰箱，可能保存著不可再次獲得的實驗樣品，因此保證大型儀器的正常運行是非常重要的。根據此特點，需要安裝電壓傳感器，以保證大型儀器的正常運轉和使用。電壓傳感器設置有一個門限值，當電壓出現異?；虿环€定時，通過門限值的限定，報警模塊及時報警，以保證大型儀器的安全。
根據設備區儀器設備的具體情況，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量電壓，其原邊線圈連接內部電阻網絡，信號傳送到隔離放大器。
2.3 溫室的功能設計和節點選擇
實驗室的第三部分是溫室區域。該區域包括灌溉系統，還對土壤CO2的濃度、土壤的溫度、濕度及光照強度等進行監測。植物的生長發育對土壤的濕度、溫度較為敏感，土壤中放置相應的傳感器節點，其將土壤的濕度、溫度等數據傳送至匯聚節點，匯聚節點將數據傳送到服務器，然后服務器對這些數據進行處理分析[5]。研究人員可以依據這些數據，發現植物生長規律、特點，以及物理環境對農作物的影響等，以進行相關的科學研究工作。
溫度傳感器選擇德國ZMD公司的Tsic系列，其采用ZAC通信協議，電流低，功耗小，測量范圍為-50℃~+150℃，精度為±0.1℃，采用單總線輸出方式，接口簡單。
光照傳感器采用芬蘭進口的芯片HS2303，光照強度范圍：0～200 000 lx，分辨率0.1%，響應時間1 s，并可與無線數據收發電路或RS485網絡通訊接口電路相連。
土壤CO2傳感器選用固態電解質CO2傳感器MS4100(低成本、固態電解質技術)，其對CO2反應非常靈敏，受溫度和濕度影響小，適合農業應用；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%，響應時間為5 s。
3 服務器的軟件設計
服務器放置在服務器機房，其對采集到數據進行相應的處理，并將處理結果發送至管理終端界面以供管理人員進行管理。服務器主控軟件分為用戶界面模塊、報警模塊、實驗數據處理模塊、視頻監控模塊、數據庫管理模塊、節點管理模塊和數據輸入/輸出模塊。如圖3所示，數據輸入/輸出模塊接收來自各匯聚節點的數據以及來自視頻監控終端的圖像數據。節點管理模塊主要對節點的初始化、節點的加入和退出等進行管理。報警模塊對來自傳感器節點的檢測數據進行分類、識別和分析，將報警信息輸入用戶界面進行顯示等報警處理。實驗數據處理模塊對傳感器節點傳送來的實驗數據進行分類、匯總和分析，并可以應用專業生物分析軟件進行科學研究。視頻監控模塊對辦公區和實驗區進行視頻監控處理，如實時監控，視頻圖像質量控制和圖像備份等。數據庫管理模塊對相關的實驗數據和圖像數據等進行存儲、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，報警模塊可對電警、火警、毒警等進行報警處理，對于實驗室的安全保障至關重要。報警模塊對報警信息的處理流程如圖4所示：當有警情發生時，傳感器節點將所監測的數據傳送到管理終端，管理人員通過電話、現場派人偵查等手段來核實該警情為實警還是虛警，實警是火警、毒氣泄漏警情、電壓不穩或超負荷等報警，虛警則是人為等原因造成報警系統誤報警。如果是實警，則采取如下措施：(1)啟動聲光報警系統，通知現場人員迅速離開警情現場或做好防護措施。(2)打開門禁系統，使現場人員逃生；如發現警情嚴重擴大，可在人員全部逃出后，關閉門禁系統，防止災情擴大。(3)打開噴淋系統，滅火或降低毒氣濃度，防止火災蔓延和毒氣濃度過高而引起的爆炸。(4)如為火警或實際電壓超過系統設置的電壓門限值，則需關閉電力系統。如果是虛警，則取消報警[4]。
傳感器網絡作為一種新興的應用型網絡，在生物實驗室有著廣泛的應用前景。采用基于無線傳感器網絡的設計不僅有效改善了傳統生物實驗室的安全管理模式，還能高效地為研究人員提供準確科研數據信息，并能與現有網絡有機地結合。本文針對一個具體的實驗室環境，提出了一種基于無線傳感器網絡的生物實驗室設計方案，用以構建一個新型、安全和智能的生物實驗室，并可以推廣至其他類型的實驗室應用環境。
參考文獻
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[2] David Culler， Deborab Estrin， Mani Strivastava. Overview of Sensor Networks. IEEE Computer Society， 2004:41-49.
[3] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.
[4] 鄭君剛.基于無線傳感器網絡技術智能家居報警系統設計.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2008，24(2):35-38.
[5] 李棟，張林，徐保國.無線溫室信息監測系統設計.微計算機信息(嵌入式與SOC)，2009，25(3-2):38-39，63.