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(xiàn)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(shù)據(jù)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(wěn)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(xiàn)代化程度不高。

　　電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網絡，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。

　　無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象�；�于MEMS的微傳感技術和無線聯(lián)網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應用前景。

　　無線傳感器網絡作為一種新興的應用型網絡，由部署在監(jiān)測區(qū)內的大量傳感器節(jié)點組成，以自組織的方式形成一個多跳的網絡系統(tǒng)，其目的是采集和處理網絡覆蓋區(qū)域內監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給管理者。

　　本文將無線傳感器網絡應用于生物實驗室，對傳統(tǒng)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(jù)功能劃分為辦公區(qū)、實驗區(qū)和溫室三個區(qū)域。針對各區(qū)域的不同特點，通過傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)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。并且網絡構建成本較低，易與現(xiàn)有網絡互聯(lián)，可操作性更強。

　　1 系統(tǒng)結構、通信協(xié)議和拓撲結構

　　1.1 系統(tǒng)結構

　　如圖1所示，生物實驗室的無線傳感器網絡系統(tǒng)由三個區(qū)域中的傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、視頻監(jiān)控終端、服務器和管理終端組成。傳感器節(jié)點分布在各監(jiān)測區(qū)域內，采集各種相關數(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)點通過ZigBee協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是連接無線傳感器網絡與外部網絡的接口，能實現(xiàn)兩種不同協(xié)議棧間通信協(xié)議的轉換，還能對傳送的數(shù)據(jù)進行匯總、數(shù)據(jù)冗余等處理，也能對傳感器節(jié)點發(fā)布監(jiān)測任務等。匯聚節(jié)點既可以是功能強大的傳感器節(jié)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(tǒng)中，匯聚節(jié)點選用網關設備。匯聚節(jié)點接收到來自各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行相應處理，并將處理結果發(fā)送至管理終端界面，以供管理人員進行管理。

　　1.2 系統(tǒng)的拓撲結構和協(xié)議

　　本系統(tǒng)的無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，系統(tǒng)終端的傳感器節(jié)點間采用ZigBee協(xié)議。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(jié)點為匯聚節(jié)點，所有數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點；星型拓撲結構適合圓形分散、距離較近的無線傳感器聯(lián)網。

　　2 系統(tǒng)功能設計和節(jié)點選擇

　　2.1 辦公區(qū)的功能設計和節(jié)點選擇

　　實驗室的辦公區(qū)是工作人員和學生辦公和學習的地方，因此本區(qū)域的防火、防盜、防震是監(jiān)控的重點。當有斷電、火災、地震等意外情況發(fā)生時，各傳感器節(jié)點如電壓傳感器、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，匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行相應處理。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裝置。為了進一步保證辦公室安全，需要對辦公區(qū)進行實時視頻監(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，攝像頭對監(jiān)控區(qū)域的實時圖像進行采集，并將采集的圖像數(shù)據(jù)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(jiān)視、存儲、回放和編輯等處理。

　　根據(jù)辦公區(qū)的防火特點，本區(qū)域內的溫度傳感器可采用AD公司生產的數(shù)字溫度傳感器芯片ADT7301.

　　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(huán)和閉環(huán)兩種原理，集它們的優(yōu)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(qū)的功能設計和節(jié)點選擇

　　實驗區(qū)根據(jù)功能可劃分為實驗操作區(qū)和設備區(qū)。實驗操作區(qū)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(qū)的監(jiān)控重點是防毒、防火。設備區(qū)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(qū)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(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。

　　溫度傳感器布置在實驗區(qū)內角落位置、電源插口處、易發(fā)生火災的地方，形成星型拓撲結構。

　　設備區(qū)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。電壓傳感器設置有一個門限值，當電壓出現(xiàn)異�；虿环�(wěn)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(jù)設備區(qū)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(jié)點選擇

　　實驗室的第三部分是溫室區(qū)域。該區(qū)域包括灌溉系統(tǒng)，還對土壤CO2的濃度、土壤的溫度、濕度及光照強度等進行監(jiān)測，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(xié)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(shù)據(jù)收發(fā)電路或RS485網絡通訊接口電路相連。

　　土壤CO2傳感器選用固態(tài)電解質CO2傳感器MS4100（低成本、固態(tài)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(yè)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(shù)據(jù)進行相應的處理，并將處理結果發(fā)送至管理終端界面以供管理人員進行管理。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)點管理模塊主要對節(jié)點的初始化、節(jié)點的加入和退出等進行管理。報警模塊對來自傳感器節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊對傳感器節(jié)點傳送來的實驗數(shù)據(jù)進行分類、匯總和分析，并可以應用專業(yè)生物分析軟件進行科學研究。視頻監(jiān)控模塊對辦公區(qū)和實驗區(qū)進行視頻監(jiān)控處理，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(fā)生時，傳感器節(jié)點將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳送到管理終端，管理人員通過電話、現(xiàn)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(wěn)或超負荷等報警，虛警則是人為等原因造成報警系統(tǒng)誤報警。

　　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。本文針對一個具體的實驗室環(huán)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(huán)境。  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(xiàn)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(shù)據(jù)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(wěn)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(xiàn)代化程度不高。

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