一种基于物联网屏的实验室智能监管系统及其工作方法与流程

1.本发明涉及一种实验室智能监管系统，具体为一种基于物联网屏的化工、生物实验室多实验台智能监管系统及其工作方法。


背景技术：

2.化工、生物实验可能涉及有毒、有害、有腐蚀性、易燃、易爆、难闻等实验环境或条件，所使用的实验台一般配备有排风设备，在其作用下，保证实验台空间的有毒、有害气体能及时排出。为了控制实验台的抽风量，一般对进入实验台操作门(一般称之为罩面或视窗)的罩面风速提出要求；同时为了保证实验台的实验环境和实验条件，还要对实验台内部温度、压力、气体浓度等提出指标要求，在出现异常时能自动或人工及时加以处理。
3.传统的实验台的排风设备控制手段单一、噪声大、能耗高、实验条件不稳定，相关指标参数检测手段缺乏。为此实验台必须配备相应的实验台监管设备(称为实验台控制器)，在控制器的控制下准确控制罩面风速，同时加设必要的各种传感器，检测实验环境和实验条件，通过人机界面显示、反映相关指标参数。在实验过程中要求实验者密切注意控制器所反映的实验环境、条件指标数据，防止出现问题，进而在出现问题时也必须能够及时加以处理。但由于实验者有时专心实验，疏忽了观察，或者实验过程需要较长时间，实验者不能一直在实验台附近专心观察环境、条件数据，导致一旦出现问题未能或无法及时加以处理，造成实验安全事故。
4.在当前国家极端重视生产安全、实验安全的大环境下，为实验台配备功能齐备智能化的实验台监管设备，并依赖网络技术，实现实验台工作状况的全局化、远程化的集中监管，成为现今实验台生产、使用的必备要件。但就目前已有的实验台控制器、实验管理系统而言，控制器功能简单，仅具有排风阀开、闭控制功能，具有实验台环境、实验条件监管功能的系统较少；管理系统则更偏重于实验台使用的管理功能，如，实验台供电管理、实验预约、实验台使用统计、实验药品、器件的申领等，并且需要在实验台上安装专门的联网设备(如专用联网模块、网卡等)才能具有远程监视功能。
5.因此，开发一种能够有效控制罩面风速，同时检测实验台工作环境和实验条件的智能化实验台控制器，并以此为基础构建网络化的实验台智能监管系统成为保证实验安全必须要解决的问题，从而解决前述问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于物联网屏的实验室智能监管系统及其工作方法，从而。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，包括实验台控制器；
8.实验台控制器包括工控核心板；所述工控核心板上设置有串口，串口通过交换机连接柜内摄像头、柜外摄像头；通过柜内摄像头、柜外摄像头实时观察实验台内的工作状
态，以及柜外周围的工作环境；
9.工控核心板上还设有串口连接有物联网触摸屏，从而实现人机交互功能，可以在物联屏上显示实验台内画面；
10.物联网触摸屏具有组网功能，通过与互联网联网，从而构成网络化实验台监管系统，实现实验台的本地及远程集中监管；
11.工控核心板输出一侧设置有排风阀门、视窗开/闭、补风阀门、柜内照明、声光报警、灭火器启动输出控制线路以及人机交互界面和通信接口；
12.工控核心板输入一侧连接有风阀门差压检测、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度、烟雾检测输入线路，视窗外区域红外检测、视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、灭火器启动按钮信号输入线路；
13.工控核心板还设置有usb接口，用于实现数据传输与控制。
14.进一步的，物联网触摸屏连接局域网组网部件，可以通过wifi路由器等局域网组网部件，形成本地局域网，进而通过路由器与互联网联网，从而构成网络化实验台监管系统，实现实验台的本地及远程集中监管。
15.进一步的，所述物联网触摸屏连接远程局域网组网软件，使用4g/5g网络以及远程局域网组网软件，形成远程局域网，从而构成网络化实验台监管系统，再与上位管理计算机、手机等远程终端联网，实现实验台的远程集中监管。
16.进一步的，工控核心板选用具有多路a/d、d/a、多路开关量输入/输出及多路串行通信接口的工控板；排风阀门差压、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度检测通过工控板的a/d转换接口输入；视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、烟雾检测、灭火器启动按钮等信号通过开关量输入口输入；排风阀门、补风阀门通过d/a口输出控制、视窗开/闭、柜内照明、声光报警、灭火器启动等通过开关量输出口外接继电器控制；预留a/d、d/a通路及部分开关量i/o口以备控制器扩展功能使用。
17.进一步的，所述视窗开/闭通过视窗升降电机实现；所述声光报警采用声光报警器；所述灭火器启动通过控制灭火器阀门启闭进行控制。
18.一种基于物联网屏的实验室智能监管系统的工作方法，
19.(1)视窗高度变化时的罩面风速保持一定控制，其具体步骤为：
20.首先设实验台罩面宽为w(m)，视窗升起高度为h(m)，设定罩面风速为v(m/s)则进风量q(m3/h)为：
21.q＝3600βwhv(m2/h)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a)
22.式中β为安全系数(1.05～1.1)，此进风量应由出风风机抽风产生，其大小有出风口阀门控制；
23.将出口阀门视为差压流量计中的节流件，以伯努利方程和流体连续性方程为依据，差压流量计流量与差压的通用计算式为：
[0024][0025]
即
[0026]
式中ρ为流体的密度，k为与物质和阀门机构有关的系数；δp为差压；
[0027]
在视窗升起高度h发生变化时，对一定的罩面风速v要求，据式(a)可以算出需要的排风流量，则依式(b)可以推出对压差的控制要求，这样就将对罩面风速的要求转换为对排风阀门差压的要求；因此通过检测阀门差压，并与要求值比较，即通过闭环控制，对阀门的开度进行控制，实现对罩面风速保持一定的控制要求；由于流量与压差的关系为非线性，所以闭环控制算法可以是分段pid、自适应pid或模糊pid等先进控制算法；
[0028]
(2)视窗门启/闭自动控制，其具体步骤为：
[0029]
(2-1)视窗门的自动升降功能：智能通风柜上电后，当装在智能通风柜顶部的头顶红外传感器检测到智能通风柜前方有实验人员时，会自动将视窗门升起到设定高度a(可在人机交互界面设定)处，并开启照明灯；同时自动开启排风阀门，对风速进行控制，将面风速控制在预设值(可在人机交互界面设定)；
[0030]
(2-2)视窗门可以采用手动按钮或脚踩踏板控制：利用视窗门升/降控制按钮，实验人员可以手动调整视窗门到任意高度，具体方法为：按住该按钮，在没有升至最高点时视窗先是升高，升高到最高位(可在人机交互界面设定)时则转为下降，下降到底又转为上升，松开按钮，视窗停止运动；当操作人员不便用手操作视窗门时，可通过脚踏踏板开关控制视窗门的升降，脚踏踏板开关的作用与视窗门升/降控制按钮的作用相同；
[0031]
(2-3)视窗门关闭时，维持最小排风量，必要时增加辅助送风(事先在人机交互界面设定工作模式)；
[0032]
(2-4)若红外传感器连续预定时长(可在人机交互界面设定)内感应不到柜前区域有实验员，则会自动下降关闭视窗，可关闭照明灯(可在人机交互界面设定工作模式)，同时减小排风阀开度；
[0033]
(2-5)辅助送风(补风)阀的补风量随排风阀风量变化(比例可在人机交互界面设定)；
[0034]
(2-6)在视窗门的底部两端设有激光对射探测器，能对底部的障碍物进行探测，当探测到障碍物时，视窗门动作进行紧急制动，以防发生危险；
[0035]
(2-7)视窗门升降速度在一定范围内可调(可在人机交互界面设定)；
[0036]
(3)实时检测实验台空间温度，当温度过高时起动声光报警(报警温度可在人机交互界面设定)；超高温触发灭火器工作，灭火器也可通过人工启动；
[0037]
(4)人机交互功能，使用人机交互界面(触摸屏)，触摸屏上界面能够显示：视窗门进风量、排风阀门差压、实验台内部温度、压力、特殊气体浓度等参数；设置系统工作参数；软操作按钮等。
[0038]
进一步的，公式中k为一与实际实验台结构及排风阀安装形式有密切关系的参数，需要在实验台安装调试阶段测定，测定方法为：使用专用的面风速检测仪，在视窗不同高度下(即不同风量要求下)，测量保持面风速恒定前提下的阀门差压，从而构建风量与差压之间的关系系数式；或，使用专用的面风速检测仪，保持视窗高度不变，测量不同阀门开度下的面风速和差压，从而构建风量与差压之间的关系系数式。
[0039]
本发明的有益效果是：本发明揭示了一种实验台控制器和基于物联网屏的实验室智能监管系及其工作方法，具体有益效果如下：实验台控制器既具有精确控制罩面风速、自动控制罩面升降功能，又具有检测实验台环境、实验条件并加以显示，形成良好的人机交互
等功能，提高了实验台监管的智能化程度，改善了实验条件，减轻了实验人员的心理压力。进一步地，由于使用物联网屏，构成了网络化实验台监管系统，实现了实验台的远程集中监管，进一步地提高了实验室管理的智能化和实验室的整体安全性能和安全监管水平。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例的实验台控制器构成框图；
[0041]
图2为本发明实施例的实验台控制器主程序流程示意图；
[0042]
图3为本发明实施例的实验台控制器视窗控制流程示意图；
[0043]
图4为本发明实施例的罩面风速保持一定闭环控制流程(中断)示意图；
[0044]
图5为本发明实施例的实验台控制器的主要界面；
[0045]
图6为本发明实施例的网络化实验台监管系统构成示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
[0047]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0048]
本实施例中提出了一种基于物联网屏的化工、生物实验室多实验台智能监管系统，首先开发具有可视化人机界面(触摸屏)的实验台控制器，该控制器具有准确控制罩面风速、自动控制罩面升降、检测实验台环境、实验条件并加以显示，良好的人机交互等一系列功能，利用实验台控制器必须使用触摸屏实现人机互动的要求，选用具有物联网联网功能的触摸屏，将该屏既用于控制器的人机互动，又用于构成网络化的实验室监管系统，从而形成基于物联网屏的化工、生物实验室多实验台智能监管系统，包括：实验台控制器、触摸屏、局域网组网部件(可选)、摄像头、专用远程局域网组网软件。
[0049]
每一实验台配一台实验台控制器，实验台控制器具有检测实验台环境、实验条件并据此对实验台排风阀门加以控制等功能。工控核心板；排风阀门差压检测、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度、烟雾等检测输入线路，视窗外区域红外检测、视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、灭火器启动按钮等信号输入线路；排风阀门、视窗开/闭、柜内照明、补风阀门、声光报警、灭火器启动等输出控制线路，以及人机交互界面和通信接口。
[0050]
图1为本发明提供的一种实验台控制器构成框图，包括：工控核心板；排风阀门差压检测、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度、烟雾等检测输入线路，视窗外区域红外检测、视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、灭火器启动按钮等信号输入线路；排风阀门、视窗开/闭、柜内照明、补风阀门、声光报警、灭火器启动等输出控制线路，以及人机交互界面和通信接口。其中工控核心板选用具有6路a/d、路d/a、14路开关量输入、10路开关量输出及2路串行通信接口的工控板(如：合正科技的hz2n-24mt),排风阀门差压、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度检测通过工控板的a/d转换接口1
～5输入；视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、烟雾检测、灭火器启动按钮等信号通过开关量输入口输入；排风阀门、补风阀门通过d/a口输出控制、视窗开/闭、柜内照明、声光报警、灭火器启动等通过开关量输出口外接继电器控制；预留1个a/d，及部分开关量i/o口以备控制器扩展功能使用。
[0051]
图2-图4为实验台控制器软件框图，软件框图反映了实验台控制器的工作流程。其中图2为主程序，系统启动后在核心工控板系统监控程序的支持下，首先初始化工作参数和方式，而后并发四个程序流程：视窗控制流程、罩面风速保持一定闭环控制流程、参数设定流程和其它控制流程。图3为视窗控制流程：如果实验台设置为自动开视窗模式，首先检测视窗口是否有人，如有则启动视窗升降电机，使视窗上升，上升到设定高度a停，如果检测到视窗门升/降控制按钮或脚踏开关操作时，启动视窗升降电机，按照前述控制规则述控制视窗的升、降；即在视窗上升或下降的过程中检测视窗高度，按照设定的最高位和底部位置，切换电机的正反转。图4为罩面风速保持一定闭环控制流程，这一流程在程序的定时器中断中完成，系统程序启动后计打开定时中断使能，进入中断后检测视窗高度和排风阀压差，根据系统设定的罩面风速要求及视窗高度，按照前述公式(a)计算排风量要求，再按照公式(b)计算出阀门差压要求，有补风要求时，按照设定的补风比例减去补风量后再计算差压要求，将实际压差与要求压差比较，比较值作为闭环控制算法的输入，按照闭环控制算法计算出排风阀开度的控制量，该控制量经d/a转换，输出到阀门控制器，调节阀门开度，改变排风阀压差，达到控制罩面风速保持一定的目的。其中控制算法可以选择使用分段pid控制算法，其分段点与罩面风速有关，一般将其分为低、中、高三段，具体分段点与实验台结构、排风阀门结构有关，需在实验台调试阶段确定，控制器将分段点作为系统参数在人机界面上设置。
[0052]
参数设定流程由触摸屏组态软件通过触摸屏组态，构建与工控核心板内部单元的联系，通过触摸屏与核心板之间的串行通信协议，实现设置参数传送到核心板参数存储单元；核心板中系统环境检测数据单元、系统工作数据单元以及反映系统状态的单元传送到触摸屏上显示、修改的目的。
[0053]
其它控制流程包括：补风阀开度控制、实验台照明、报警、灭火器控制等。
[0054]
图5为实验台控制器的主要界面，(a)为主界面，显示实验台环境的关键参数，以及重要操作软按钮；(b)为参数设置的主界面，(c)为用户参数设置界面；(d)为系统参数设置界面；(e)为视窗参数设置及视窗工作状态监控界面，除上述界面外，系统还包括实时数据曲线、运行数据记录、历史数据曲线、报警历史查询等界面。
[0055]
图6展示了网络化实验台监管系统的2种构成方式，选用带无线网络扩展功能的物联网屏(如昆仑技创的n系列物联网触摸屏)，(a)为使用带wifi无线网络扩展功能的物联网屏，通过wifi路由器等局域网组网部件，形成本地局域网，进而通过路由器与互联网联网，从而构成网络化实验台监管系统，实现实验台的本地及远程集中监管的构成方式；(b)为使用带4g/5g无线网络接口的物联网屏，以及物联网屏产品一并提供的专用远程局域网组网软件，形成远程局域网，从而构成网络化实验台监管系统，再与上位管理计算机、手机等远程终端联网，实现实验台的远程集中监管。
[0056]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，包括实验台控制器；实验台控制器包括工控核心板；所述工控核心板上设置有串口，串口通过交换机连接柜内摄像头、柜外摄像头；通过柜内摄像头、柜外摄像头实时观察实验台内的工作状态，以及柜外周围的工作环境；工控核心板上还串口连接有物联网触摸屏，从而实现人机交互功能，可以在物联屏上显示实验台内画面；物联网触摸屏具有组网功能，通过与互联网联网，从而构成网络化实验台监管系统，实现实验台的本地及远程集中监管；工控核心板输出一侧设置有排风阀门、视窗开/闭、补风阀门、柜内照明、声光报警、灭火器启动输出控制线路以及人机交互界面和通信接口；工控核心板输入一侧连接有风阀门差压检测、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度、烟雾检测输入线路，视窗外区域红外检测、视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、灭火器启动按钮信号输入线路；工控核心板还设置有usb接口，用于实现数据传输与控制。2.根据权利要求1所述的一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，物联网触摸屏连接局域网组网部件，可以通过wifi路由器等局域网组网部件，形成本地局域网，进而通过路由器与互联网联网，从而构成网络化实验台监管系统，实现实验台的本地及远程集中监管。3.根据权利要求1所述的一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，所述物联网触摸屏连接远程局域网组网软件，使用4g/5g网络以及远程局域网组网软件，形成远程局域网，从而构成网络化实验台监管系统，再与上位管理计算机、手机等远程终端联网，实现实验台的远程集中监管。4.根据权利要求1所述的一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，工控核心板选用具有多路a/d、d/a、多路开关量输入/输出及多路串行通信接口的工控板；排风阀门差压、视窗开启高度、内部温度、压力、特殊气体浓度检测通过工控板的a/d转换接口输入；视窗门手动按钮、脚踏踏板开关、视窗门底部激光对射探测器、烟雾检测、灭火器启动按钮等信号通过开关量输入口输入；排风阀门、补风阀门通过d/a口输出控制、视窗开/闭、柜内照明、声光报警、灭火器启动等通过开关量输出口外接继电器控制；预留a/d、d/a通路及部分开关量i/o口以备控制器扩展功能使用。5.根据权利要求1所述的一种基于物联网屏的实验室智能监管系统，其特征在于，所述视窗开/闭通过视窗升降电机实现；所述声光报警采用声光报警器；所述灭火器启动通过控制灭火器阀门启闭进行控制。6.一种基于物联网屏的实验室智能监管系统的工作方法，其特征在于，(1)视窗高度变化时的罩面风速保持一定控制，其具体步骤为：首先设实验台罩面宽为w(m)，视窗升起高度为h(m)，设定罩面风速为v(m/s)则进风量q(m3/h)为：q＝3600βwhv(m2/h)(a)式中β为安全系数(1.05～1.1)，此进风量应由出风风机抽风产生，其大小有出风口阀门控制；将出口阀门视为差压流量计中的节流件，以伯努利方程和流体连续性方程为依据，差
压流量计流量与差压的通用计算式为：即式中ρ为流体的密度，k为与物质和阀门机构有关的系数；δp为差压；在视窗升起高度h发生变化时，对一定的罩面风速v要求，据式(a)可以算出需要的排风流量，则依式(b)可以推出对压差的控制要求，这样就将对罩面风速的要求转换为对排风阀门差压的要求；因此通过检测阀门差压，并与要求值比较，即通过闭环控制，对阀门的开度进行控制，实现对罩面风速保持一定的控制要求；由于流量与压差的关系为非线性，所以闭环控制算法可以是分段pid、自适应pid或模糊pid等先进控制算法；(2)视窗门启/闭自动控制，其具体步骤为：(2-1)视窗门的自动升降功能：智能通风柜上电后，当装在智能通风柜顶部的头顶红外传感器检测到智能通风柜前方有实验人员时，会自动将视窗门升起到设定高度a(可在人机交互界面设定)处，并开启照明灯；同时自动开启排风阀门，对风速进行控制，将面风速控制在预设值(可在人机交互界面设定)；(2-2)视窗门可以采用手动按钮或脚踩踏板控制：利用视窗门升/降控制按钮，实验人员可以手动调整视窗门到任意高度，具体方法为：按住该按钮，在没有升至最高点时视窗先是升高，升高到最高位(可在人机交互界面设定)时则转为下降，下降到底又转为上升，松开按钮，视窗停止运动；当操作人员不便用手操作视窗门时，可通过脚踏踏板开关控制视窗门的升降，脚踏踏板开关的作用与视窗门升/降控制按钮的作用相同；(2-3)视窗门关闭时，维持最小排风量，必要时增加辅助送风(事先在人机交互界面设定工作模式)；(2-4)若红外传感器连续预定时长(可在人机交互界面设定)内感应不到柜前区域有实验员，则会自动下降关闭视窗，可关闭照明灯(可在人机交互界面设定工作模式)，同时减小排风阀开度；(2-5)辅助送风(补风)阀的补风量随排风阀风量变化(比例可在人机交互界面设定)；(2-6)在视窗门的底部两端设有激光对射探测器，能对底部的障碍物进行探测，当探测到障碍物时，视窗门动作进行紧急制动，以防发生危险；(2-7)视窗门升降速度在一定范围内可调(可在人机交互界面设定)；(3)实时检测实验台空间温度，当温度过高时起动声光报警(报警温度可在人机交互界面设定)；超高温触发灭火器工作，灭火器也可通过人工启动；(4)人机交互功能，使用人机交互界面(触摸屏)，触摸屏上界面能够显示：视窗门进风量、排风阀门差压、实验台内部温度、压力、特殊气体浓度等参数；设置系统工作参数；软操作按钮等。7.根据权利要求6所述的一种基于物联网屏的实验室智能监管系统的工作方法，其特征在于，公式中k为一与实际实验台结构及排风阀安装形式有密切关系的参数，需要在实验台安装调试阶段测定，测定方法为：使用专用的面风速检测仪，在视窗不同高度下(即不同
风量要求下)，测量保持面风速恒定前提下的阀门差压，从而构建风量与差压之间的关系系数式；或，使用专用的面风速检测仪，保持视窗高度不变，测量不同阀门开度下的面风速和差压，从而构建风量与差压之间的关系系数式。

技术总结
本发明公开一种基于物联网屏的实验室智能监管系统及其工作方法，首先开发具有可视化人机界面的实验台控制器，该控制器具有精确控制罩面风速、自动控制罩面升降、检测实验台环境、实验条件并加以显示，良好的人机交互等一系列功能，利用实验台控制器使用触摸屏实现人机互动的要求，选用具有物联网联网功能的触摸屏，将该屏既用于控制器的人机互动，又用于构成网络化的实验室监管系统，从而形成基于物联网屏的化工、生物实验室多实验台智能监管系统。实验台控制器既具有精确控制罩面风速、自动控制罩面升降功能，又具有检测实验台环境、实验条件并加以显示，形成良好的人机交互等功能，提高了实验台监管的智能化程度，改善了实验条件。验条件。验条件。


技术研发人员：王楚平 王韵琦
受保护的技术使用者：雷柏特（南通）实验室系统工程有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/10/15