摘 要

实验室安全管理一直都是学校安全管理的重要组成部分，实验室因为自身的性质可以分为物理实验室，化学实验室等，对于不同的实验室，存在的潜在安全威胁不一样。当今社会监控技术发展极为迅速，视频监控也成为了高校实验室管理系统必不可少的组成部分。但大多数监控设备都是停留在电脑客户端监测查看，并且对于视频以外的安全管理没有太多的投入，例如温湿度方面。为了适应当今社会实验室安全管理需求，笔者将对高校实验室的安全管理提出新的看法。

本次设计主要研究设计出一个合理的实验室安全管理系统，该系统由监控系统和温湿度系统组成，两个系统相互独立，通过手机APP可以分别查看两个系统的具体情况，实时查看实验室的监控视频和温湿度情况。文章将对该系统的需求分析、系统构建以及实现方式等方面作出说明。

实验结果：手机客户端可以在登录后完成对实验室视频监控和温湿度监控的实时查看。

本次设计的特色：将实验室监控模块和温湿度监控模块进行结合，极大程度方便了对实验室的安全监控管理。

关键字：实验室，安全管理，安卓，APP设计

Abstract

Laboratory safety management has always been an important part of school safety management. Because of its own nature, laboratories can be divided into physical laboratories and chemical laboratories. For different laboratories, the potential safety threats are different. The development of social monitoring technology is extremely rapid today, and video surveillance has become an indispensable part of the university's laboratory management system. However, most monitoring devices are stuck on the computer client monitoring and viewing, and there is not much investment in security management beyond video, such as temperature and humidity. In order to meet the needs of the safety management of today's social laboratories, the author will put forward new ideas for the safety management of university laboratories.

This design mainly studies and designs a reasonable laboratory safety management system. The system is composed of a monitoring system and a temperature and humidity system. The two systems are independent of each other. Through the mobile phone APP, the specific conditions of the two systems can be viewed separately, and the laboratory can be viewed in real time. Monitoring video and temperature and humidity conditions. The article will explain the requirements analysis, system construction and implementation of the system.

Experimental results: The mobile client can complete the real-time viewing of the laboratory video surveillance and temperature and humidity monitoring after login.

The characteristics of this design: The combination of the laboratory monitoring module and the temperature and humidity monitoring module greatly facilitates the safety monitoring and management of the laboratory.

Keywords: Lab, Security Management, Android, APP Design

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景 1

1.2设计的目的和意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1无线传感网络国内外研究现状 2

1.3.2智能监控的国内外发展 3

1.4本论文主要研究内容 3

1.5本章小结 4

第2章 设计思路与需求分析 5

2.1设计思路 5

2.2需求分析 5

2.2.1实验室安全管理需求分析 5

2.2.2功能分析 6

2.2.3性能指标分析 6

2.2.4系统总体结构分析 6

第3章 系统设计与分析 8

3.1设备选材 8

3.1.1摄像头选材 8

3.1.2温湿度模块选材 8

3.2软件系统搭建 9

3.2.1软件介绍 9

3.2.2硬件系统搭建 10

3.2.3关于MQTT协议 11

3.2.4 IIC通信协议与OLED 11

3.3安卓系统介绍 11

3.4开发环境介绍 12

3.5应用程序设计 12

3.5.1用户相关 12

3.5.3温湿度监控模块 13

第4章 调试结果分析 15

4.1软件调试 15

4.2硬件调试 15

4.3调试结果 15

4.4设计中遇到的问题及解决方法 16

第5章 总结与展望 17

参考文献 18

致谢 19

第1章 绪论

1.1研究的背景

随着时代的发展，高校实验室在人才培养和科学研究方面占有极为重要的地位，而实验室的安全管理则是人才培养和科学研究顺利进行的前提条件。“但是随着高校办学实力和办学水平的提高，与高校实验室条件装备快速发展不协调使得实验室的安全事故层出不穷，成为实验室健康发展的不和谐音，引发高校和社会的越来越多的关注”[^[1]]。

实验室安全管理制度不完善、安全防范意识较弱、实验室安全未能受到足够重视、实验室安全管理软硬件设施投入不足等主客观因素，使得实验室安全事故频频发生，为了更加有效的对实验室安全进行管理，减少实验室安全事故的发生，不少学者提出自己的宝贵建议，让高校实验室的安全管理得到很大的改善。但笔者通过查阅资料了解到，对于实验室安全管理系统方面大多都是从学生的行为规范，管理人员等方面入手，而对于现阶段比较盛行的无线传感以及互联网技术方面的方法并没有过多的资料和文献。本文将立足于实验室安全系统的开发，研究开发基于安卓系统手机实验室安全监控APP软件，能实时浏览实验室关键设备温湿度和视频，利用无线温湿度传感器、无线视频监测终端集成一套实验室安全监控系统，实时监测实验室主要环境，对数据库和终端监测软件系统进行设计，实现手机端APP浏览监测。实时监测实验室设备温湿度和视频，使得实验室的安全管理有保障。

1.2设计的目的和意义

为加强实验室的安全管理，除了制定相关的规章制度以外，还需要人为的监督管理，为了更加方便管理员的监督管理，手机客户端监控就成为了实验室安全管理系统的重要部分，目前的智能手机可以查看相关的实验室视频资料，或者其他实验室设备的情况，但没有一款软件能做到在一个软件上同时兼顾多种实验室的情况查询，因此笔者想通过这次设计，设计出一个可以实时查询实验室多种环境情况的实验室安全管理系统。基于安卓系统的手机实验室安全监控APP可以更方便快捷的了解到实验室的动态，通过手机APP就可以实时监测实验室环境情况和温湿度的情况，有利于提升管理者的工作效率以及提升实验室的安全管理。“将互联网和实验室安全监控相结合，是实现“互联网＋”智慧型实验室的有效方法。在大数据、云计算等互联网技术的时代背景下，互联网与安全监控的有机结合能够为实验室安全提供极大保障”[^[2]]。

随着科学的进步，经济的发展，实验教学成为高校的主要实践教学环节之一，通过实验教学不仅能加深对理论知识的理解，而且能提高学生动手能力、独立思考能力和创新能力。“实验室不仅是高校办学的三大支柱之一，而且是培养创新人才，创新成果的重要平台。作为综合素质教育的重要平台，实验室在人才培养过程中发挥着相当重要的作用”[^[3]]。但是实验室的安全管理方面仍然还有所欠缺，国内时常会有实验室安全事故发生。“2015年3月，某大学实验室发生硫化氢气体泄露事件，造成业务员中毒身亡；2015年12月某大学实验楼内发生爆炸事件，造成两名学生受伤；2016年9月某大学化工实验室里发生爆炸事件，造成两名学生受伤”[^[4]]。由此可见，实验室安全事故给学校造成了巨大的财产损失，还给学生的生命安全带来威胁，对于实验室安全管理方面的加强极为必要。

当下安卓智能手机的应用已经极为普遍，基本上达到人手一台手机，手机的出现为人们的信息交流带来了极大的便捷，而手机也随着时代的进步不断发展，各种功能更加强大和完善，也越来越智能化，以前在电脑才能进行操作的信息或者程序在手机上也能完美运行操作。如果能将实验室的安全管理系统与手机完美的结合，那将为高校的实验室安全管理带来极大的提升，使得实验室的安全管理更加便捷。

本文将对实验室的安全管理监控方面做出探讨设计，构建合理的安全管理系统，该安全监控管理系统将为实验室的安全管理方面做出新的改善，将有效的降低实验室管理人员的工作强度，在一定程度上保证这实验室的人员生命财产安全，为高校教学实验顺利进行和科研实验室的科研项目开发做出贡献。

1.3国内外研究现状

无线电网络在当今时代应用极为普遍，小到日常生活用品，大到科研项目的开发，应用到生活中的各个角落。无线电传感网络作为信息时代数据信息感知、传输和处理的新技术，是在微机电系统、片上系统以及无线电通信等技术在高度集成的基础下发展起来的。

1.3.1无线传感网络国内外研究现状

无线电传感起步于20世纪90年代末期，1999年美国提出了无线传感网络是下个世纪的发展机遇，并将无线传感网络应用于军事领域。与此同时，国内的知名大学也开始对该领域进行开发研究。无线传感网络的理念一经提出就引起了国内外学者、军方以及工业方面的广泛关注，并迅速发展应用与各行各业。2002年，Intel公司提出了“基于微传感器网络的新型发展规划”，同年欧盟开始实施“自组织和写作有效能量的传感网络”的研究计划；2005年，美国对网络科学和系统的研究计划中，详细阐述了下一代高可靠、可发展、可编程的无线传感网络的特征、体系结构、算法和应用系统。

自上世纪90年代起，我国也开始了自主的无线传感网络的研究和应用，并与国际先进水平基本保持持平。1999年，在《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，首先提出了无线传感网络的研究；2001年，成立了微系统研究与发展中心，对无线传感网络进行了大量的研究，建立了无线传感网络系统的研发平台；2008年，在汶川大地震后，中科院微系统使用传感网络技术，在通信系统瘫痪的情况下准确获得现场就在信息，为科学救灾提供了第一手实时资料。2010-2016年期间，我国视频监控市场规模从242亿元增长到962亿元，年均复合增长率达25.86%；2015年5月发改委发布了由九部委联合出台的《关于加强公共安全监控建设联网应用工作的若干意见》，意见指出，到2020年基本实现“全网覆盖，全网共享，全时可用，全程可控”的公共安全监控建设联网应用，在加强治安防控，优化交通出行，服务城市管理，创新社会治理等方面取得显著成效；

2017年，中投顾问发布的《2016-2020年中国智能安防行业深度调研及投资前景预测报告》认为未来智能安防将朝着前端化、云端化、行业化发展。 

1.3.2智能监控的国内外发展

无线传感网络的飞速发展有利于信息的传输，而智能视频监控发展近几年来也在飞速提升。从这几年的发展来看，视频监控市场出现了一些明显的变化趋势，如视频监控从模拟市场阶段到数字市场的历史性转折；标准更加开放；高清视频在安防领域产生巨大的影响；智能化、集成化日益突出并不断深入发展等。各种各样全新的视频监控系统逐渐出现在世人的眼前，而且也越来越完善，通过手机就可以随时随地查看公司、家里或者库房等地方的具体情况。随着人民生活水平的提高，人们的安全防范意识也越来越高。视频监控将会普及到每家每户。

1.4本论文主要研究内容

本文主要设计一种基于安卓手机的实验室安全监控系统方案，将安卓手机，摄像头智能监控，温湿度模块有效结合起来，使实验室安全管理方面不仅可以对通过视频监控进行监测，还可以通过温湿度的变化进行监测。硬件部分的工作一是通过摄像头获取实验室的相关的监控信息，二是通过温湿度传感器模块进行实验室温湿度的测量并显示。软件部分的工作就是手机通过登录访问该系统，可以查看相关的视频监控和温湿度监控，其中包括MQTT协议的应用，IIC连接协议的使用，还有DHT11和ESP8266以及0.96寸OLED显示模块的使用，手机端软件可以实时查看相关的信息。

1.5本章小结

实验室的安全管理一直都是高校实验室项目开展和顺利进行的重要前提，只有实验室的安全得到了保障，学生和科研人员的安全得以保障，才能使得各个实验和科研项目的顺利进行，才能为国家培养大量的科研人才，因此实验室的安全管理方面的研究将会一直被国家，学者，高校所关注，相信随着科技的发展和国家对实验室方面的投入，实验室的安全管理方面将会越加完善。

尽管有很多学者对实验室的安全管理提出过宝贵意见，实验室的安全管理方面已经得到很大的提升，但目前仍没有一款软件同时支持视频监控和其他参数监控的，为了改善实验室安全管理系统，笔者将尝试构建一个实验室安全管理系统，再编写软件实现监控和温湿度的实时查看。希望能对高校实验室的安全管理有一定借鉴作用。

设计思路与需求分析

2.1设计思路

实验室安全管理对于实验室的正常运行和学生安全来说极为重要，目前大多学校的实验室安全管理还停留在给学生制定规章制度和管理员人为监察，即便是利用了摄像头进行监管控制，但是摄像头的客户端一般都是在电脑上，通过电脑客户端查看视频达到监控的效果，然而管理员不能时刻在电脑旁进行监视，对于管理人员来说极不方便。另一方面，由于摄像头只是对实验室的实时环境进行检测，对于内部的一些环境因素无法实时了解到，例如温湿度，有害气体等。也有的实验室装配了相关的监测工具，但是也要通过电脑客户端才能知道实验室的实时情况，因此也极为不方便，增加了管理人员的工作量。

对上述的情况进行分析后，得出几点结论：实验室视频监控不方便，不能随时随地查看；实验室检测设备不够完善，对于一些潜在的环境威胁不能有效监控。因此，如果能有一个实验室安全管理系统能够实现随时随地查看，并且对于实验室内部的环境也能有效监控，那么实验室的安全管理将得到很大的提升。

现阶段，视频监控器都可以通过手机软件进行随时随地查看，而部分的实验室检测设备也可以通过网络传送数据，将两者结合在一起就可以完美的解决以上问题。也就是说编写一个APP软件，将视频监控和其他的实验室检测监控结合起来，通过手机APP随时随地查看。

由于实验室的类型不同，实验室内部的设备装置也有很大区别，防范的侧重点也有所区别。在物理实验室，实验设备的功耗，温湿度等是侧重点，而在化学实验室，化学药品的存放，有害气体的监测为侧重点。本次设计将着重于视频监控和温湿度监控的设计，主要应用于物理实验室。

2.2需求分析

2.2.1实验室安全管理需求分析

实验室的安全管理分为很多方面，学校和管理人员需要对制度进行完善，并落实到每一个细节，在此方面，大多数实验室都有相关的制度要求和安全手册。对制度进行完善了之后还要对学生和实验者进行要求，确保实验研究者能遵守安全制度。但除此之外，更需要一个完整的实验室管理系统进行综合的管理，该系统可以实时监测实验室的动态，人员来往，甚至于是设备的使用情况等。除此之外，在实验室不使用的情况下要能对实验室的环境进行检测，包括温湿度、有害气体以及空气质量等方面的检测，当某项指标超出设定值的时候会进行报警。实验室的安全关乎到实验研究的顺利进行、实验室财产的安全和实验人员的人身安全，对于实验室的安全管理，应该有着极大的重视。本次设计将对实验室的视频监控和温湿度监控进行探究，将两者的数据进行整合，通过手机客户端进行显示。

2.2.2功能分析

在之前的分析中，实验室管理系统存在的问题就是管理不便，还因为实验室的性质问题，存在不同的安全隐患。在化学实验室我们需要考虑有害气体的泄露以及易燃易爆物品的存放，而在物理实验室则需要考虑实验室温湿度情况以及电器的功耗问题。本次设计针对于物理实验室的安全管理提出的新的看法，将针对实验室的视频监控和温湿度监控设计一个安全管理系统，因此，在功能方面主要实现视频监控和温湿度监控两个功能。

2.2.3性能指标分析

在确定了设计需要实现的功能后，还需要对系统的性能指标进行分析。考虑到系统的安全性，系统设计了登录系统，通过手机客户端注册登录才能查看相应的模块参数，除此之外，还要考虑到系统的稳定性，系统需要长期有效的工作。另一方面，为了方便用户的使用，界面设置方面得尽可能的简单实用。

2.2.4系统总体结构分析

系统总体结构可以分为手机客户端模块、硬件模块和服务器模块。总体构造图如图2.1所示。

图 2.1 系统构造图

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