第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
实验室作为科学研究、培养高科技人才的基地，得到国家高度重视，近年来，随着我国经济实力的增强，国内各机构开始不断加大在实验室方面的投入，购进大批国外仪器设备[1]，截至 2019 年前后，国内很多企业、学校在购买仪器设备数量上已经追赶上欧美发达国家实验室所拥有的数量，并在先进程度上与先进的实验室仪器无太大差距[2]。另一方面，随着研究经费的不断投入，项目的增多，研究机构、学校等科研活动变得频繁，使得目前的科研类实验室数量不断增加，这给实验室科学运行和安全管理增加了难度[3-4]。
实验室除了是高科技人才培养的摇篮外，也变成了事故多发之地。近年来，实验室爆炸事故频发[5]，例如 2018 年 12 月，北京交通大学学生在做科研实验时引起实验室发生爆炸，3 名学生不幸遇难。科研类实验室拥有更多先进的设备仪器、危化学品类，特别是一些特殊实验室、化学类实验室和危险性较高的实验室，一旦出现问题，不仅造成财产人员损失，更关系到学校和社会的稳定。
关于实验室安全方面已引起多方关注，2019 年，教育部办公厅再次印发 1 号文件《教育部办公厅关于进一步加强高校教学实验室安全工作的通知》，要吸取事故教训，加强实验室安全工作，树立“隐患就是事故”的观念。目前，各高校为响应国家对实验室安全相关政策，在实验室安全系统、安全制度和设施建设方面不断加强，对实验室各方面的投入不断加大，实验室安全运行的软硬件条件得到较大改善，但面对日益复杂化的安全因素，目前在实验室安全管理方面仍面临许多问题[6-8]。
（1）安全管理模式不能适应高度复杂的实验室运行现状
目前，实验室管理存在着千差万别的现象，大多数实验室仍主要依赖人工管理，实验室的设备运行采用人工监护和记录，一旦出现安全问题，只能事后靠管理人员进行排查[9-10]。一些特殊实验室，需要管理人员值班看守或人工巡视的方式[11-13]，人力成本高、主观差异性大、疲劳性失误多等问题普遍存在。
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1.2 国内外研究现状
实验室监控系统是运用计算机技术、嵌入式技术、传感器技术等通过采集仪器设备、实验室环境、工作人员和供电系统等相关的数据，实现实验室运行过程的适管控，利用该系统可以减少人为错误和人工、时间成本，同时规范标准化工作流程并提高实验室管理效率和运行安全。
国外的实验室管理设计思想是在 20 世纪 60 年代末 70 年代初期基本成型，主要针对实验室科学数据的规范管理。因当时计算机技术、网络通信技术并不发达，对实验室数据的管理主要通过手工进行记录。随着科技的发展，实验室管理也从单一的数据的管理发展为过程管理。近年来逐步形成了集管理、监控、技术追溯为一体的全方位的现代化实验室运行系统。其中依托现代信息技术而发展起来的运行过程管控系统成为了提高效率和保障实验室安全的重要工具[22]。
实验室相关的管理系统在国外较发达国家已经得到普遍的运行及很好地推广[23]，有上百家公司提供商业化的实验室监控、管理相关的系统。国外比较著名的产品有：Accelerated Technology Laboratories 公司的 NeoMate ，Daynamic Database 公司的 LabMaster ，Labware 公司的 Labware LIMS，AAC Infotray AG 公司的 LABbase，英国实验室系统公司的 sampleManager 和 Nautilus LIMS 等。它们的数据综合存储基本上符合优良实验室规范（GLP）、优良自动实验室规范（GALP）和 ISO9000的标准[24-26]。
20 世纪 90 年代实验室管理系统才在国内出现，直到 2002 年国家举办了首届中国实验室信息管理系统（LIMS）学术研讨会与展示会，之后每隔两年举办一次，通过这类研讨会推动了实验室管理系统在国内的发展，普及和提高了人们对实验室管理技术的认识[27-28]。
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第 2 章 系统总体设计及关键技术
2.1 系统总体设计
2.1.1 系统总体技术
架构设计系统总体技术架构设计主要分为三层：感知层、网络层和应用层[33-36]，如图 2-1所示：
（1）系统感知层
感知层位于技术架构的最底层，是整个架构的基础，是信息采集的关键部分，由各种类型的传感器和采集器组成，本系统感知层设备包括采集器、环境温湿度传感器、人体红外传感器、烟雾传感器、有害气体传感器、门禁控制器、摄像机、电力采集设备等组成，实现实验室内安全参数的采集，是整个系统数据的主要来源。采集器通过 RS485 通信方式实时采集各个传感器的数据并实时上传服务器。
采集器又称作传感器网关，是终端设备与服务器之间的桥梁，实现对终端传感器等感知设备的数据采集，并与服务器建立连接，将采集到的数据传输到服务器端保存，实现对终端设备的采集与上传服务器功能。
（2）系统网络层
网络层的功能类似于人类的神经中枢和大脑，负责接收、处理、传递、存储、分析感知层的数据信息。该层由多种类型的网络组成，包括有线网络、无线通信网、私有网络、互联网等网络和服务器平台组成。本系统可采用有线 LAN、WiFi、GPRS及 4G 网络。该系统的服务器程序部署在云服务器平台上，服务器程序包括数据采集服务器、后台监控管理系统和数据应用服务器。服务器程序的功能主要实现设备在线管理、数据存储、数据分析、数据处理、设备分配等操作，并为应用层提供数据接口服务。
目前，因服务器内存有限，视频数据信息存储于本地摄像机 128GB Micro SD卡内，服务器端数据库存储视频的配置信息和预警信息、预警图片的路径信息，预警图片数据存储于本地客户机上。
图 2-1 系统总体技术架构图
2.2 本系统涉及的开发技术
为保证数据的实时采集、随机查询和长期存储，降低系统运行维护成本，系统采用云服务器+客户端的架构来实现。2.2.1 C/S 结构
C 指的是 Client（客户端），S 指的是 Server（服务器）。C/S 指的是软件的体系结构，这种结构充分利用服务器和客户端这两端硬件环境优势。把任务指定给两端来进行实现，降低了开销，提升了效率。
客户端和服务器位于两台不同的电脑上，客户端的工作是将用户提交的需求提交给服务器程序，然后再将服务器返回的数据以某种特定的格式显示给管理人员；在这个通信过程中，服务器端需开启一个对外端口进行实时监听，客户端向该端口发起请求连接时，服务器应答该客户的连接请求[38]，服务器端程序的主要任务就是处理客户端提交过来的请求，进行相应的逻辑处理，再将处理的结果返回给客户端用户。
客户端是一个或者多个运行在用户电脑上的应用程序，服务器部署于一台电脑或者云服务器上面，服务器端分为两种，一种是数据库形式的服务器端，客户端发送请求，访问服务器端的数据，另一种是 Socket 形式的服务器端，客户端程序与服务器程序之间通过 Socket 进行通信。客户端与服务器采用 C/S 结构，如图 2-3 所示：
图 2-3 C/S 结构图
第 3 章 系统服务器平台设计与实现...................................13
3.1 系统服务器主要功能设计........................................13
3.1.1 数据采集服务器功能设计..............................13
3.1.2 监控管理系统功能设计.....................14
第 4 章 系统应用客户端设计...............................32
4.1 系统客户端功能需求分析......................................32
4.1.1 用户管理模块需求.....................................32
4.1.2 门禁监控管理模块需求............................32
第 5 章 系统感知层设计...............................52
5.1 传感器选择...................................52
5.2 采集器设备.............................53
第 6 章 系统整体实现与测试
6.1 配置环境
（1）软件开发环境操作系统：
系统服务器端与应用客户端操作系统采用 Win7；开发语言：C#；开发平台：Microsoft Visual Studio 2019。
（2）软件运行环境操作系统：
服务器端操作系统采用 windows Server 2008 R2 Enterprise 版本，系统应用客户端运行操作系统为 Win7 系统；数据库软件：SQL Server；软件运行环境：Microsoft.NET Framework 4.2。
（3）云服务器端硬件测试环境处理器：
Intel (R) Xeon (R) CPU E5-2620 v3 2. 40GHz 2.40 GHz，8 核；安装内存：6.00GB；硬盘内存：200GB。
（4）客户端硬件测试环境处理器：
Intel(R) Core(TM) i5-10210U CPU @ 1.60GHz 2.11 GHz，8 核；安装内存：8.00GB；硬盘内存：1TB。
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第 7 章 总结与展望
7.1 总结
本课题的设计目标就是从实验室各个方面进行监控来保障实验室的安全，通过实时远程监控，减少实验室内存在的安全隐患以及平时不易观察到的死角，解决当前实验室监控方式单一、管理方式落后、高校实验室事故频发等问题。结合本校协同创新中心制备实验室情况对本系统进行设计。运用 Socket 技术、多线程技术、委托等技术完成服务器系统的开发，实现对采集器设备和客户端远程通信管理、数据保存等功能。设计动态加密认证方法保障整个系统安全、稳定运行，通过自定义协议实现服务器、客户端、采集器的远程数据通信。采用嵌入式技术、传感器技术对采集器进行设计与实现，采集器采用 Modbus-RTU 协议和 RS485 通信方式采集实验室各传感器数据，并通过网络将数据上报至云服务器平台。结合制备实验室具体需求分析，采用三层架构模式对客户端进行设计开发，实现对实验室的门禁、环境、安防、视频、用电、设备等的远程监控、实时预警和联动控制。并对视频监控进行延伸，加入区域入侵功能，来保障实验室人员、设备、财产安全。最后，完成整个系统的部署与功能实现，通过对整个系统的功能测试和非功能性的测试，对系统的稳定性、收发数据的实时性、数据的准确性进行一一验证，实验结果表明系统达到预期目标。
本课题虽然是针对材料制备实验室安全监控进行设计，但系统具有很好的灵活性、可扩展性，具备较好的通用性，继续完善后可以成为一套标准化，有商业推广价值的安全监控系统。
参考文献（略）