随着国家对科研的重视和支持，中国的科研条件已经有了很大的改善，生物实验室的现代化水平也在不断提高，拥有很多昂贵、精密的仪器设备，因此对实验室的火、电等安全性能要求很高。另一方面，很多生物样品和数据具有收集周期长、样品来源稀缺、不易重复等特点，对于样品的保存和安全稳定问题也有很高的要求。但目前对于生物实验室的设计多关注其中化学药品等的安全性，对于仪器使用和样品保存等方面的安全性关注较少，现代化程度不高。

　　电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

　　无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

　　无线传感器网络作为一种新兴的应用型网络，由部署在监测区内的大量传感器节点组成，以自组织的方式形成一个多跳的网络系统，其目的是采集和处理网络覆盖区域内监测对象的信息，并发送给管理者。

　　本文将无线传感器网络应用于生物实验室，对传统的生物实验方式和实验室管理进行了改进，提出了一种基于无线传感器网络的生物实验室设计方案。该方案将生物实验室根据功能划分为办公区、实验区和温室三个区域。针对各区域的不同特点，通过传感器节点、汇聚节点和服务器的有机结合，构建一个新型、安全和智能的生物实验室。并且网络构建成本较低，易与现有网络互联，可操作性更强。

　　1 系统结构、通信协议和拓扑结构

　　1.1 系统结构

　　如图1所示，生物实验室的无线传感器网络系统由三个区域中的传感器节点、汇聚节点、视频监控终端、服务器和管理终端组成。传感器节点分布在各监测区域内，采集各种相关数据信息，包括电压传感器、气体传感器、光照传感器等各种类型。各传感器节点通过ZigBee协议，将数据传送给汇聚节点。汇聚节点是连接无线传感器网络与外部网络的接口，能实现两种不同协议栈间通信协议的转换，还能对传送的数据进行汇总、数据冗余等处理，也能对传感器节点发布监测任务等。汇聚节点既可以是功能强大的传感器节点，也可以是仅有无线通信功能的特殊网关设备[3].在本系统中，汇聚节点选用网关设备。汇聚节点接收到来自各传感器节点的数据进行相应处理后，将其通过Internet传送至服务器。服务器对采集的数据进行相应处理，并将处理结果发送至管理终端界面，以供管理人员进行管理。

　　1.2 系统的拓扑结构和协议

　　本系统的无线传感器网络采用星型拓扑结构，系统终端的传感器节点间采用ZigBee协议。该网络采用的星型拓扑结构支持点对点、点对多点的通信，中心节点为汇聚节点，所有数据通过汇聚节点；星型拓扑结构适合圆形分散、距离较近的无线传感器联网。

　　2 系统功能设计和节点选择

　　2.1 办公区的功能设计和节点选择

　　实验室的办公区是工作人员和学生办公和学习的地方，因此本区域的防火、防盗、防震是监控的重点。当有断电、火灾、地震等意外情况发生时，各传感器节点如电压传感器、温度传感器、防震传感器等将采集的数据传送到汇聚节点，汇聚节点对数据进行相关处理后将其传送到服务器；服务器的报警模块对该数据进行相应处理。另一方面，为了使办公室更安全，办公区的电灯、冰箱、微波炉等家用电器也分别安装上电压传感器等自动装置。为了进一步保证办公室安全，需要对办公区进行实时视频监控，因而该区域还安装有视频监控系统。如图2所示，摄像头对监控区域的实时图像进行采集，并将采集的图像数据传送至PNX1500处理器内核，处理器通过100 M以太网连接至服务器，服务器可对处理器传送过来的实时图像进行监视、存储、回放和编辑等处理。

　　根据办公区的防火特点，本区域内的温度传感器可采用AD公司生产的数字温度传感器芯片ADT7301.

　　电压传感器选择LEM公司的Eta电流传感器，Eta技术涵盖了开环和闭环两种原理，集它们的优点于一身，可测量交流电和直流电，测量范围是200 A,且测量范围可扩展；单端5 V供电，带宽范围大，低功率损耗。

　　2.2 实验区的功能设计和节点选择

　　实验区根据功能可划分为实验操作区和设备区。实验操作区通常存放有危险、有毒甚至剧毒的化学药品，生物实验过程中也会产生有害气体，因此实验操作区的监控重点是防毒、防火。设备区放置有各种类型的大型实验仪器设备，需安装电压传感器来对仪器设备的电压进行实时检测，以保证实验仪器设备及实验样品的安全性。如果实际电压值超出预定门限值时，切断市电输入，同时启动UPS.所以，整个实验区设置有气体传感器、温度传感器、防震传感器和电压传感器。为了进一步保证实验区的安全，该区域还安装有视频监控终端。

　　气体传感器布置在实验台、通风橱、超净台、药品柜等存放危险化学药品和易产生有毒气体设施的位置，形成星型拓扑结构。

　　温度传感器布置在实验区内角落位置、电源插口处、易发生火灾的地方，形成星型拓扑结构。

　　设备区中通常有许多大型的仪器设备，价格昂贵。非正常情况下的断电，对大型仪器设备的损坏性非常大，有些损失甚至是不可弥补的。电压传感器设置有一个门限值，当电压出现异常或不稳定时，通过门限值的限定，报警模块及时报警，以保证大型仪器的安全。

　　根据设备区仪器设备的具体情况，可选择LEM公司隔离放大型传感器的电压传感器，该系列传感器可直接测量电压，其原边线圈连接内部电阻网络，信号传送到隔离放大器。

　　2.3 温室的功能设计和节点选择

　　实验室的第三部分是温室区域。该区域包括灌溉系统，还对土壤CO2的浓度、土壤的温度、湿度及光照强度等进行监测，以进行相关的科学研究工作。

　　温度传感器选择德国ZMD公司的Tsic系列，其采用ZAC通信协议，电流低，功耗小，测量范围为-50℃~+150℃，精度为±0.1℃，采用单总线输出方式，接口简单

　　光照传感器采用芬兰进口的芯片HS2303,光照强度范围：0~200 000 lx,分辨率0.1%,响应时间1 s,并可与无线数据收发电路或RS485网络通讯接口电路相连。

　　土壤CO2传感器选用固态电解质CO2传感器MS4100（低成本、固态电解质技术），其对CO2反应非常灵敏，受温度和湿度影响小，适合农业应用；其量程为0~30 000 ppm,跨度为60~72 mV（0~2 000 ppm），工作电压为5 VDC+0.5%,响应时间为5 s.

　　3 服务器的软件设计

　　服务器放置在服务器机房，其对采集到数据进行相应的处理，并将处理结果发送至管理终端界面以供管理人员进行管理。如图3所示，数据输入/输出模块接收来自各汇聚节点的数据以及来自视频监控终端的图像数据。节点管理模块主要对节点的初始化、节点的加入和退出等进行管理。报警模块对来自传感器节点的检测数据进行分类、识别和分析，将报警信息输入用户界面进行显示等报警处理。实验数据处理模块对传感器节点传送来的实验数据进行分类、汇总和分析，并可以应用专业生物分析软件进行科学研究。视频监控模块对办公区和实验区进行视频监控处理，用户界面模块则给管理人员提供友好的用户界面。

　　图3中，报警模块可对电警、火警、毒警等进行报警处理，对于实验室的安全保障至关重要。报警模块对报警信息的处理流程如图4所示：当有警情发生时，传感器节点将所监测的数据传送到管理终端，管理人员通过电话、现场派人侦查等手段来核实该警情为实警还是虚警，实警是火警、毒气泄漏警情、电压不稳或超负荷等报警，虚警则是人为等原因造成报警系统误报警。

　　传感器网络作为一种新兴的应用型网络，在生物实验室有着广泛的应用前景。本文针对一个具体的实验室环境，提出了一种基于无线传感器网络的生物实验室设计方案，用以构建一个新型、安全和智能的生物实验室，并可以推广至其他类型的实验室应用环境。  随着国家对科研的重视和支持，中国的科研条件已经有了很大的改善，生物实验室的现代化水平也在不断提高，拥有很多昂贵、精密的仪器设备，因此对实验室的火、电等安全性能要求很高。另一方面，很多生物样品和数据具有收集周期长、样品来源稀缺、不易重复等特点，对于样品的保存和安全稳定问题也有很高的要求。但目前对于生物实验室的设计多关注其中化学药品等的安全性，对于仪器使用和样品保存等方面的安全性关注较少，现代化程度不高。