浅析高校实验室无线物联网用电安全系统设计与应用
供稿：安科瑞电气股份有限公司
- 关键词：物联网,信息化管理
- 作者：安科瑞程海霞
- 摘要：高校实验室内放置大量实验仪器设备，是实验人员高度密集的场所之一。实验室安全管理是校园安全建设不可或缺的一环，其中用电安全至关重要。为此，文中设计一种实验室物联网用电安全系统，通过智慧用电物联终端和实验室用电安全管理云平台对实验室配电柜进行实时监测和异常报警，从而及时、准确地发现故障隐患。采用大数据分析技术对实验室用电监测数据进行多维度分析，提高实验室用电安全管理效率。通过实际部署应用对系统的有效性进行验证，实现实验室用电安全信息化、智慧化管理。
摘要：高校实验室内放置大量实验仪器设备，是实验人员高度密集的场所之一。实验室安全管理是校园安全建设不可或缺的一环，其中用电安全至关重要。为此，文中设计一种实验室物联网用电安全系统，通过智慧用电物联终端和实验室用电安全管理云平台对实验室配电柜进行实时监测和异常报警，从而及时、准确地发现故障隐患。采用大数据分析技术对实验室用电监测数据进行多维度分析，提高实验室用电安全管理效率。通过实际部署应用对系统的有效性进行验证，实现实验室用电安全信息化、智慧化管理。
关键词：高校实验室；用电安全；物联网；信息化管理；实时监测；物联终端；数据分析
0引言
实验室是高校加深在校学生对理论课程的理解和培养实践动手能力的实验场地，也是研究人员进行科学研究和相关实验论证的科研场所。随着国内高校办学规模的扩张和办学水平的提高，实验室建设逐渐成为学校产学研体系的重要组成部分。实验室安全是各项教学活动和科学研究顺利进行的基本保证，其不仅关系到实验室实验仪器存放安全与否，更关系到在实验室进行教研活动的师生的人员安全。2019年中国实验室发展大会中提到：我国高校每年发生用电安全事故约150起。由此可见，构建健全的实验室安全管理体系至关重要。高校实验室安全管理大多采用人工巡查等方式进行实验室安全方面的维护，每间实验室配备相应的实验室安全管理人员，定期对实验室电力设备运行状况进行巡查。上述“人防”方式虽然能从一定程度上保障实验室的日常安全运行，但许多用电安全隐患不易察觉，用电安全问题发生突然，实验室管理员不易时间知晓并处理警情，因此通过“人防”方式进行实验室消防管理存在一定的局限性。
随着现今物联网、大数据等新兴科学技术的蓬勃发展，高校响应号召，运用现代科技实现实验室信息化、智能化管理势在必行。本文利用物联网、云计算、大数据等技术对实验室用电情况进行实时监测和系统分析，排查实验室用电安全隐患，发生异常情况及时报警，实现信息化条件下的实验室用电安全管理工作转型升级。此举可以保障实验室的财产安全和实验人员的人身安全，完善校园信息化安全管理体系，为安全和谐校园建设添砖加瓦。
1高校实验室用电安全问题分析
1.1不规范用电
实验室实验人员进行教研任务的不规范用电行为是造成实验室火灾事故的主要原因之一。近年来，高校逐渐重视对实验人员的实验室用电安全教育，但在实验室饮食、实验仪器工作时无人在旁值守等安全意识薄弱现象屡见不鲜。除了实验仪器，接线板也是实验室常见也容易被忽视的用电设备。使用非国标的接线板，将接线板随意放置于实验仪器旁，同时使用多个接在同一个接线板的大功率电器造成接线板过载等不规范用电行为，都大大增加了实验室消防安全隐患。
1.2维护缺失
现如今，高校在实验室用电安全方面的科技支撑不足，对实验室安全进行维护管理时大多采用安全管理人员定期定点巡查等方式。但部分实验室管理人员对实验室安全管理重视程度不足，对实验室的定期巡查和维护流于形式，缺乏规范有效的监督，缺岗、漏岗现象时有发生。实验室安全监管人员不能及时发现实验室内用电安全问题，为火情等危险情况的发生埋下了巨大隐患。另一方面，高校校园中部分老旧实验楼用电线路过于陈旧，电力线路检修难度大，安全管理人员检查不到位，极易产生监管死角。一旦用电不慎，极易导致线路短路或线路功率过大引起火灾。
1.3安全管理体系和手段不健全
基于往年高校实验室发生火灾等事故留下的惨痛教训，近年来各大高校逐步建立起实验室安全管理体系。受人力成本高等因素制约，实验室安全管理员大多由实验员、任课老师或安保等人员兼任。然而以上监管人员存在时间精力有限和缺乏专业火灾防控知识等问题，使得实验室安全管理人员责任范围模糊，造成“不愿管、不会管、不敢管”的监管乱象。另一方面，学校对监管人员和实验人员的实验室安全教育培训过于形式化，实验室安全管理制度流于纸面，未能落实到具体的实验室安全管理上。长此以往，会造成实验人员对实验室用电安全隐患的排查与处理不到位、不合理的问题，存在巨大的监管漏洞。一旦发生因用电安全引发的火灾等事故，会对人员生命和实验室财产安全造成不可挽回的损失。
2系统设计
运用物联网、边缘计算、大数据等现代信息技术实现高校实验室用电安全监测和管理，十分迫切且可行。为了解决上述用电安全问题，提升实验室用电安全管理问题的效率和效果，实现实验室安全管理方式从“人防”向“技防”的转变，建设信息化、智慧化实验室，本文开发了实验室物联网用电安全系统。该系统由智慧用电物联终端和实验室用电安全管理云平台构成。
智慧用电物联终端是基于物联网、边缘计算和“移动互联网+”等新技术研发的硬件设备，包括物联终端及配套部署的各类传感器。根据实验室职能、规模和所在区域等实验室信息可设置终端参数，终端和传感器对实验室的配电箱进行24h数据监控，并将电路和温度等实时数据通过无线通信动态上传至云平台。
实验室用电安全管理云平台是一个综合性的物联网云平台，能够对智慧用电物联终端设备进行监测、定位和跟踪，及时获取实验室终端设备数据和运行状况，并将终端上传的监测数据批量存储在云平台数据库中。同时通过数据挖掘分析，对实验室用电安全状况和用电行为进行评估分析，提高实验室安全管理人员监管质量和效率。
实验室物联网用电安全系统结构如图1所示。
实验室物联网用电安全系统主要实现当实验室配电箱内电路出现过流、过压、漏电等异常情况，并在引发电气火灾等更严重的后果前及时向实验室管理人员报警，大限度做到实验室消防警情的早预判、早发现、早除患和早扑救，减少实验室用电隐患的滋生，强化实验室用电安全预防工作，建立高校实验室的防火墙，构筑校园实验室安全管理体系。
智慧用电物联终端部署于各实验室配电箱内部，与之连接的传感器布置于箱内的线缆和箱体等部位，终端以无线的方式（NB-IoT/4G/5G）入网，与实验室用电安全管理云平台进行数据交互。当某路监测数据达到相应阈值时，终端本地会进行蜂鸣报警，同时将数据上传至云平台，在云平台推送报警具体信息，并向发生报警实验室的安全负责人通过拨打电话、发送短信和微信平台推送等方式进行通知。实验室用电安全管理中的用电数据分析、事件电子台账、安全隐患定位等其他功能主要通过云平台实现。
3智慧用电物联终端
智慧用电物联终端是可以检测实验室配电箱内线路各项电力数据的设备，是实验室物联网用电安全系统的主要监测终端设备。物联终端通过传感器监测的数据通道包括一路剩余电流、四路线路温度、一路箱体温度、三路电压、三路电流。
将终端安装在配电箱中，正常工作时终端不间断监控各个通道数据，根据设定通道数据的上下限对实验室配电箱内电力线路进行异常报警和保护。当各通道数据值超过阈值时，终端蜂鸣器报警，立即控制空开脱扣，同时上传各个通道的数据到安全管理云平台，并生成报警事件，通过微信（推送报警通知）、电话（收到智能来电）推送信息给管理员。并且当终端监测到数据出现异常变化或超出阈值，会频繁上传数据至实验室安全管理云平台，直到监测数据恢复正常，停止上报异常情况。当报警事件处理完毕后实验室安全管理人员手动消音并复位终端，进行新一轮的实时数据监控。
智慧用电物联终端基本构成如图2所示。
终端的控制部分为一个嵌入式系统，主要用于基本功能逻辑实现、数据处理、数据通信等功能。接口电路部分主要用于电流互感器、温度传感器等传感器与控制电路的连接和驱动；指示电路则主要通过数码管、LED灯形式指示终端的运行状态和报警信息；报警电路中的蜂鸣器则主要用于产生报警声音和上电提示音等。终端内置4G通信模块（可根据信号覆盖情况更换为NB⁃IoT模块或5G模块），通过运营商网络实现终端接入，与云平台进行双向通信。
由于终端使用的是无线网络通信，不需要布置信号线，在供电方面终端从配电箱内部取电，不需要额外进行电源布线，因此终端安装的施工难度和成本大大降低，可以根据实验室配电箱内部情况灵活部署。由于终端使用的传感器均为线路外部安装，无需破坏原有电路结构，不会对原有线路产生影响。智慧用电物联终端实物如图3所示，终端配电箱内实际安装部署如图4所示。
4实验室用电安全管理云平台
实验室用电安全管理云平台能够实现实验室用电安全隐患、事故的早发现、早报警、早补救，全面解决实验室用电安全监督难点。云平台接收、显示、处理、存储终端设备动态实时上传的监测数据，且根据设计主要用于智慧用电物联终端的接入，但不于此。云平台不受物联网设备类型的限制，能够接入多种物联网设备，基于多类型标准协议和API开发满足海量设备的高并发快速接入，实现对终端设备的实时监控、报警推送、数据分析、详细定位等功能。目前所实现的主要功能具体如下。
4.1实时监控
云平台实时监控智慧用电物联终端上线时上传各通道数据，生成上线事件推送至云平台，同时实时推送动态到用户Web端。用户端可根据物联终端所在位置查看每个终端设备的详细信息，如设备状态、通道数据、所属类别等。云平台24h监控已上线的物联终端状态，对关乎实验室用电安全的主要因素，如线缆温度、配电箱温度、剩余电流、电路电压、电流等信息进行实时在线监测，上报排查各类安全隐患。部分数据监测页面如图5、图6所示。
4.2报警推送
当实验室的智慧用电物联终端发生告警情况，可通过Web网页、短信、电话、微信等多种方式将报警通知及报警地址实时推送给对应实验室管理员，管理员能够时间收到报警推送消息，即可及时联系相关工作人员进行处大限度地保障实验室生命财产安全。同时，管理员可针对重点监管区域的终端进行高优先级设置，实现终端分级管理，设立多道监管防线，避免因个人疏漏所导致的严重事故。
4.3数据分析
实验室用电安全管理云平台可以实时在线显示监测线路中的电压、电流、剩余电流、温度等动态信息，把用电情况变成可视的数字化监控，查看实时采集的数据信息以及历史数据曲线，并生成统计分析数据表。运用大数据相技术分析电器设备回路的相关参数，着重于功率、突变电流和箱体温度等与电气火灾成因有直接关联的参数，按照时间、地点、实验室类型进行智慧用电物联终端告警事件统计，生成实验室用电安全隐患分析报告，及时排查实验室用电安全隐患，并适时进行提示。
4.4详细定位
实验室用电安全管理云平台嵌入GIS系统（地理信息系统），能够对每一个实验室配置终端设备进行定位，并将位置信息添加在终端设备管理详情页。管理员在全景地图界面能够直观了解到当前地理位置已安装终端设备位置分布情况，有效解决人力巡检遗漏问题，实现实验室用电安全监管网络全面覆盖，消除安全监控死角。
5部署应用
实验室物联网用电安全系统已在山东大学青岛校区的公共（创新）实验教学部署使用，覆盖各实验室，实现实验室用电安全信息化管理。系统的智慧用电物联终端及传感器部署于44个实验室55个配电箱中，实验室用电安全管理云平台本地部署于的服务器。通过开通实验主任、系统管理员、实验室管理员等不同权限的账号，系统使用人员可以通过Web端登录系统，使用系统各项实验室用电安全管理功能，使用手机通过短信、电话、微信等方式接收实验室用电安全事件信息。另外，还专门开发了大屏信息展示页面，应用于监控室大屏，如图7所示。大屏实现监控室人员对实验室用电安全数据和系统状态的监控，以及对外展示等功能。
系统在已经部署应用了三年多时间，系统整体性能稳定，数据实时性强，用电安全事件信息推送及时，曾多次及时向电路、化学等实验室管理员提示漏电、线路过流、过压等情况，辅助排查原因并消除了安全隐患。系统应用以来，记录和存储了大量的实验室用电安全数据，形成了用电安全电子台账，便于管理和调阅；同时可以成为大数据分析和数据挖掘的数据源，供相关实验和科研项目使用，也可以通过开发，应用实时数据和历史数据进一步改进和拓展系统功能、提升系统性能。
6 Acrel-EIOT能源物联网云平台
（1）概述
Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。
该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。
（2）应用场所
本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。
（3）平台结构
（4）平台功能
电力集抄
电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。
变压器监控
配电图
能耗分析
能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。
能耗概况
预付费管理
1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；
2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；
3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；
4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；
5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；
6）报表：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。
预付费看板
充电桩管理
通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。
充电桩看板
智能照明
智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。
监控页面
安全用电
安全用电采用的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。
智慧消防
通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。
（5）系统硬件配置
7结论
实验室物联网用电安全系统是融合终端硬件设计和物联网、云计算等技术设计的一套高度信息化用电安全管理系统。系统管理方式从传统的“人防”监管转向“技防”管理，侧重对实验室配电箱电力线路数据的日常监测、异常报警和隐患分析排查，实现实验室用电数据信息化管理，将电气事故发生的可能性和实际损失降到低。系统部署成本低，是实现实验室安全管理、信息化建设的良好途径，在实验室管理中具有一定的推广价值，经过实际部署应用也证明了系统的稳定性和有效性，有利于营造更加安全、稳定、和谐的校园环境。
参考文献