隨著國家對科研的重視和支持，中國的科研條件已經(jīng)有了很大的改善，生物實(shí)驗(yàn)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(shè)備，因此對實(shí)驗(yàn)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(fù)等特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室的設(shè)計多關(guān)注其中化學(xué)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(guān)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(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以自組織的方式形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)室，對傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)室管理進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計方案。該方案將生物實(shí)驗(yàn)室根據(jù)功能劃分為辦公區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和溫室三個區(qū)域。針對各區(qū)域的不同特點(diǎn)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建一個新型、安全和智能的生物實(shí)驗(yàn)室。并且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本較低，易與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可操作性更強(qiáng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，生物實(shí)驗(yàn)室的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三個區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、視頻監(jiān)控終端、服務(wù)器和管理終端組成。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，采集各種相關(guān)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(diǎn)通過ZigBee協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，能實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議棧間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，還能對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、數(shù)據(jù)冗余等處理，也能對傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測任務(wù)等。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是功能強(qiáng)大的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是僅有無線通信功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備[3].在本系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)選用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到來自各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，將其通過Internet傳送至服務(wù)器。服務(wù)器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面，以供管理人員進(jìn)行管理。
1.2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議
本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)終端的傳感器節(jié)點(diǎn)間采用ZigBee協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)采用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，中心節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，所有數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)；星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合圓形分散、距離較近的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)。
2 系統(tǒng)功能設(shè)計和節(jié)點(diǎn)選擇
2.1 辦公區(qū)的功能設(shè)計和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)室的辦公區(qū)是工作人員和學(xué)生辦公和學(xué)習(xí)的地方，因此本區(qū)域的防火、防盜、防震是監(jiān)控的重點(diǎn)。當(dāng)有斷電、火災(zāi)、地震等意外情況發(fā)生時，各傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后將其傳送到服務(wù)器；服務(wù)器的報警模塊對該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)一步保證辦公室安全，需要對辦公區(qū)進(jìn)行實(shí)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(shí)時圖像進(jìn)行采集，并將采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至PNX1500處理器內(nèi)核，處理器通過100 M以太網(wǎng)連接至服務(wù)器，服務(wù)器可對處理器傳送過來的實(shí)時圖像進(jìn)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(diǎn)，本區(qū)域內(nèi)的溫度傳感器可采用AD公司生產(chǎn)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(shù)涵蓋了開環(huán)和閉環(huán)兩種原理，集它們的優(yōu)點(diǎn)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(kuò)展；單端5 V供電，帶寬范圍大，低功率損耗。
2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)的功能設(shè)計和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)區(qū)根據(jù)功能可劃分為實(shí)驗(yàn)操作區(qū)和設(shè)備區(qū)。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)通常存放有危險、有毒甚至劇毒的化學(xué)藥品，生物實(shí)驗(yàn)過程中也會產(chǎn)生有害氣體，因此實(shí)驗(yàn)操作區(qū)的監(jiān)控重點(diǎn)是防毒、防火。設(shè)備區(qū)放置有各種類型的大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，需安裝電壓傳感器來對儀器設(shè)備的電壓進(jìn)行實(shí)時檢測，以保證實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)樣品的安全性。如果實(shí)際電壓值超出預(yù)定門限值時，切斷市電輸入，同時啟動UPS.所以，整個實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)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(jìn)一步保證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺、通風(fēng)櫥、超凈臺、藥品柜等存放危險化學(xué)藥品和易產(chǎn)生有毒氣體設(shè)施的位置，形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
溫度傳感器布置在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)角落位置、電源插口處、易發(fā)生火災(zāi)的地方，形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
設(shè)備區(qū)中通常有許多大型的儀器設(shè)備，價格昂貴。非正常情況下的斷電，對大型儀器設(shè)備的損壞性非常大，有些損失甚至是不可彌補(bǔ)的。電壓傳感器設(shè)置有一個門限值，當(dāng)電壓出現(xiàn)異常或不穩(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(shè)備區(qū)儀器設(shè)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(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)，信號傳送到隔離放大器。
2.3 溫室的功能設(shè)計和節(jié)點(diǎn)選擇
實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度等進(jìn)行監(jiān)測，以進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)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(jìn)口的芯片HS2303,光照強(qiáng)度范圍：0~200 000 lx,分辨率0.1%,響應(yīng)時間1 s,并可與無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路或RS485網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路相連。
土壤CO2傳感器選用固態(tài)電解質(zhì)CO2傳感器MS4100（低成本、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)），其對CO2反應(yīng)非常靈敏，受溫度和濕度影響小，適合農(nóng)業(yè)應(yīng)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(yīng)時間為5 s.
3 服務(wù)器的軟件設(shè)計
服務(wù)器放置在服務(wù)器機(jī)房，其對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至管理終端界面以供管理人員進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)管理模塊主要對節(jié)點(diǎn)的初始化、節(jié)點(diǎn)的加入和退出等進(jìn)行管理。報警模塊對來自傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、識別和分析，將報警信息輸入用戶界面進(jìn)行顯示等報警處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊對傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總和分析，并可以應(yīng)用專業(yè)生物分析軟件進(jìn)行科學(xué)研究。視頻監(jiān)控模塊對辦公區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)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(jìn)行報警處理，對于實(shí)驗(yàn)室的安全保障至關(guān)重要。報警模塊對報警信息的處理流程如圖4所示：當(dāng)有警情發(fā)生時，傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)該警情為實(shí)警還是虛警，實(shí)警是火警、毒氣泄漏警情、電壓不穩(wěn)或超負(fù)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(wǎng)絡(luò)作為一種新興的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，在生物實(shí)驗(yàn)室有著廣泛的應(yīng)用前景。本文針對一個具體的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計方案，用以構(gòu)建一個新型、安全和智能的生物實(shí)驗(yàn)室，并可以推廣至其他類型的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)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(jīng)有了很大的改善，生物實(shí)驗(yàn)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(shè)備，因此對實(shí)驗(yàn)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(fù)等特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室的設(shè)計多關(guān)注其中化學(xué)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(guān)注較少，現(xiàn)代化程度不高。
