一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统

1.本专利属于化学药品安全管控技术领域，具体涉及一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统。

背景技术：

2.为加强危险化学品管理，国家出台了《危险化学品管理条例》、《危险化学品目录》。近年来，各类实验室安全事故时有发生，造成损失不可计量。分析这些事故显示，实验室安全事故的类型主要有火灾、爆炸、中毒、感染、腐蚀灼伤这5类。实验室安全事故屡有发生，暴露出实验室管理存在着安全责任不落实、管理制度不健全、危险物品安全管理不到位、实验人员违规操作、相关部门安全监管存在薄弱环节等问题。建设规范的危险化学品存储管控系统，对危险化学品实行智能化管控，十分必要且紧迫。
3.因此，针对以上问题，迫切需要设计出一种针对危险化学药品存储的管控系统，以满足实际使用的需要，对解决实验室危险化学品安全存储以及保障实验室安全有重大实用意义，具有广阔的应用前景与市场价值。

技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，对危险化学药品实现智能化和网络化管控，满足实际使用需要和安全需要，对解决高校和科研机构的危险化学品存储安全以及使用安全问题有重大实用意义。
5.一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，包括树莓派4b开发板和云服务器；所述树莓派4b开发板和云服务器之间通过网络连接进行指令传递与数据交换。
6.在所述云服务器上部署化学药品安全智能管理系统、深度学习模型和mysql数据库。
7.所述化学药品安全智能管理系统，包括系统管理与控制模块、异常状况检测模块和人机交互模块。
8.所述系统管理与控制模块，包括用户管理模块、单位信息管理模块、化学药品信息管理模块、存储柜环境信息管理模块、视频监控管理模块、扫描模块、称重模块、排风控制模块、供电控制模块和语音模块。
9.所述异常状况检测模块，包括化学药品入库异常状况检测模块、化学药品质量异常状况检测模块和化学药品借还记录异常状况检测模块。
10.所述人机交互模块，包括电脑终端、移动终端和柜体屏幕等操作终端；用于实时查看存储信息、指令输入和操控管理化学药品存储柜。
11.本发明的化学药品存储柜管控系统还包括基于pyqt5技术开发的操作界面，通过操作终端对存储柜的相关参数进行设定，如柜内温度、湿度和voc气体浓度的报警阈值、排风系统的运行时间和柜体屏幕休眠时间等参数的设定。
12.系统运行过程中，终端用户通过人机交互模块访问部署于云服务器上的化学药品
安全智能管理系统。首先通过dns域名解析协议获取云服务器的ip地址，然后根据用户的操作需求建立相应的连接，如http超文本传输协议和ftp文件传输协议可以完成文本、图片、视频和控制指令的传输。树莓派4b开发板与云服务器建立网络连接并通过tcp/ip协议完成数据和控制指令的交互，将用户终端输入的控制指令传输到树莓派4b开发板。与树莓派4b开发板直接相连的元器件（如温湿度传感器、voc气体传感器等）的控制指令可由树莓派4b开发板1直接送达；与树莓派4b开发板通过网络连接的设备（如工业级摄像头、硬盘录像机）的控制指令则需要工业级路由器进行转发送达。工业级路由器在组成的网络中通过arp/rarp协议寻目标设备，将控制指令通过网络送达目标设备。
13.本发明具有以下积极的有益效果：本发明以树莓派4b开发板为数据和指令控制中心，以云服务器作为系统的载体，相对于传统的化学药品存储管控设施，本发明应用加密算法生成存储柜编码，并赋予化学药品唯一、防伪的虚拟“身份证号”；设置用户权限和标准操作流程来保障药品存储安全和使用安全；化学药品严格分库、分类存放，确保有关人员规范操作、相互监督，实现化学品的信息可溯源、管控、汇总统计等智能化、精准化、安全化管理；自动化和智能化程度高，能耗低，成本少。本发明可广泛适用于高校、科技公司和科研院所及其他相关的应用场所，能够实现对危险化学药品的规范化和智能化管控，保障危险化学药品的存储和使用安全，降低因违规使用危险化学药品引起的事故发生率，具有良好的推广意义和实用价值。
附图说明
14.图1为本发明化学药品存储柜管控系统的模块结构示意图。
15.图2为本发明化学药品存储柜管控系统的组网方式及工作流程示意图。
16.图3为本发明化学药品存储柜管控系统的电路连接示意图。
17.图4为本发明化学药品存储柜管控系统的运行python脚本开关电磁锁的流程示意图。
18.图中：1树莓派4b开发板；2云服务器；3化学药品安全智能管理系统；4深度学习模型；5 mysql数据库；6系统管理与控制模块；6-1用户管理模块；6-2单位信息管理模块；6-3化学药品信息管理模块；6-4存储柜环境信息管理模块；6-5视频监控管理模块；6-6扫描模块；6-7称重模块；6-8排风控制模块；6-9供电控制模块；6-10语音模块；7异常状况检测模块；7-1化学药品入库异常状况检测模块7；7-2化学药品质量异常状况检测模块；7-3化学药品借还记录异常状况检测模块；8人机交互模块；8-1电脑终端；8-2移动终端；8-3柜体屏幕。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案以及突出优点更加清楚明白，下面将结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细说明。本发明中的模块是指包括元器件和元器件管控程序的组合，能够实现相应的功能。
20.如图1所示，一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，包括树莓派4b开发板1和云服务器2；所述树莓派4b开发板1和云服务器2之间通过网络连接进行指令传递与数据交换。
21.所述树莓派4b开发板1，为数据和指令控制中心，用于接收各模块采集的数据信息
并上传至云服务器2、向各模块发送指令、协调各模块之间的信息传递和信息处理，实现指令传递、指令处理、信号传递和信号处理等功能。
22.在所述云服务器2上部署化学药品安全智能管理系统3、深度学习模型4和mysql数据库5。
23.所述化学药品安全智能管理系统3，包括系统管理与控制模块6、异常状况检测模块7和人机交互模块8；用于用户信息管理、化学药品存储及信息管理、存储安全管理、异常状况检测及管理以及人机信息交互管理。该系统具有强大的报表功能，可对记录数据进行统计、分析；统计结果可导出excel文件，方便打印存档。
24.深度学习模型4，以pytorch库为基础，此模型基于yolov5并对其加以改进，具体改进有：a）利用稠密网络中特征融合方式改进网络结构；b）使用k-means++对目标框进行聚类优化网络参数；c）利用迁移学习的方式对网络进行训练，降低训练时间。深度学习模型4的模型参数通过卷积神经网络训练得到，训练好的模型用于提取由工业级摄像头录制的影像数据中的特征信息，对用户的异常行为进行检测和识别。
25.mysql数据库5，用于存储各种数据，对数据进行集中存储管理，减轻数据冗余程度；同时具有故障修复功能，能尽快恢复数据库系统运行时出现的故障，防止数据被破坏，确保数据安全可靠。
26.所述系统管理与控制模块6，包括用户管理模块6-1、单位信息管理模块6-2、化学药品信息管理模块6-3、存储柜环境信息管理模块6-4、视频监控管理模块6-5、扫描模块6-6、称重模块6-7、排风控制模块6-8、供电控制模块6-9和语音模块6-10；用于管理和记录存储信息、分配操作权限、控制系统运作、监控实时显示、语音播报和生成统计数据报表等。
27.用户管理模块6-1，用于管理用户信息及操作权限，记录用户的操作信息，对用户的异常行为进行展示；通过设置用户权限和标准操作流程来保障使用安全，规范并监督用户按照相关规范进行操作。
28.单位信息管理模块6-2，用于管理存储柜所属单位的基本信息和该单位管理人员的信息。所述单位管理人员包括单位管理员和部门管理员。单位管理员可对本单位所有的存储柜和部门管理员以及用户进行管理，部门管理员可对本部门所有的存储柜和用户进行管理，实现权限分级管理。上述用户是指可查看、存储柜中化学药品相关信息以及借还化学药品的人员。
29.化学药品存储信息模块6-3，用于管理和记录所存储化学药品的信息，包括柜内所存储化学药品的基本信息、库存信息、借还统计信息、报废回收统计信息、库存清点信息和存储柜编码；可以设置存储柜所能存储的化学药品类别，对存入存储柜的化学药品进行自动识别归类，使危险化学药品严格实行分柜、分类存放管理。用户均可在操作终端查看相应信息，便于用户使用和部门管理员进行化学药品的出入库管理。
30.存储柜环境信息管理模块6-4，用于记录和管理存储柜内部的环境信息，包括柜内的温度、湿度信息和voc气体浓度信息。当化学药品存储柜内的温度、湿度异常或voc气体浓度超过设定阈值时，该模块发出报警并及时发送指令开启排风装置，并通知部门管理员及时处理危险，保障安全。
31.视频监控管理模块6-5，用于实时检测、记录存储柜周围的环境信息，存储视频和照片数据，实现操作可追溯。
32.扫描模块6-6，用于借还化学药品时扫描化学药品包装上的二维码或条形码，自动生成借还记录，方便快捷。
33.称重模块6-7，用于借还化学药品时称量化学药品的重量，化学药品归还时自动计算出借出和归还时的化学药品差量（即使用量）；自动判断与借出记录时的化学药品预计使用量是否一致（误差不超过20%），若超过20%，则需说明超出使用量的原因并通知部门管理员对此进行处理。
34.排风控制模块6-8，用于排出存储柜内部的气体；启动排风装置，通过设置于柜体上的单向进气口从柜外吸入外部低温气体为存储柜内部降温，同时也将存储柜内的有害气体排出，然后进行净化或无害化处理。所述单向进气口由气控单向阀控制，防止柜内有害气体通过进气口向柜体外扩散。
35.供电控制模块6-9，用于为存储柜的各用电元器件提供动力，保证其安全可靠运行。
36.语音模块6-10，用于相关操作的语音提醒和出现异常状况时警报或警告。
37.所述异常状况检测模块7，包括化学药品入库异常状况检测模块7-1、化学药品质量异常状况检测模块7-2和化学药品借还记录异常状况检测模块7-3；用于识别异常信息并对异常信息发出警报或警告。
38.化学药品入库异常状况检测模块7-1，用于对放入存储柜化学药品的类别进行检测识别；mysql数据库5存有存储柜所能存储的化学药品种类信息，当化学药品入库时，对不属于该存储柜存储类别的化学药品发出警报或警告，实现化学药品分柜、分类存放。
39.化学药品质量异常状况检测模块7-2，用于对所存放的化学药品质量进行监督管理。设定存储的化学药品种类信息存放于mysql数据库5中，所述基本信息包括：化学药品名称、生产厂家、存储数量、生产日期和保质期等。若化学药品过期，系统自动识别过期化学药品并进行报废登记，通知部门管理员及时进行报废处理和更新。
40.化学药品借还记录异常状况检测模块7-3，用于对化学药品的借还记录进行检测，监督用户按照相关规范进行操作和管理。用户管理模块6-1将每个用户的每条化学药品借还记录都存储于云服务器2的mysql数据库5中，当用户逾期未归还化学药品时，化学药品借还记录异常状况检测模块7-3模块向用户发送相应的提醒通知，督促其及时归还化学药品；若归还时称量计算得到化学药品使用量比借出预计使用量超出20%或归还化学药品类别不属于此存储柜，该模块发出警报或警告并通知部门管理员进行处理。
41.人机交互模块8，包括电脑终端8-1、移动终端8-2和柜体屏幕8-3等操作终端；用于实时查看存储信息、指令输入和操控管理化学药品存储柜，方便用户使用。
42.本发明还包括基于pyqt5技术开发的操作界面，通过操作终端对存储柜的相关参数进行设定，如柜内温度、湿度和voc气体浓度的报警阈值、排风系统的运行时间和柜体屏幕休眠时间等参数的设定。
43.图2给出了在系统运行过程中，数据和指令传输交互的流程示意图。终端用户通过人机交互模块8访问部署于云服务器2上的化学药品安全智能管理系统3。首先通过dns域名解析协议获取云服务器2的ip地址，然后根据用户的操作需求建立相应的连接，如http超文本传输协议和ftp文件传输协议可以完成文本、图片、视频和控制指令的传输。树莓派4b开发板1与云服务器2建立网络连接并通过tcp/ip协议完成数据和控制指令的交互，将用户终
端输入的控制指令传输到树莓派4b开发板1。与树莓派4b开发板1直接相连的元器件（如温湿度传感器、voc气体传感器等）的控制指令可由树莓派4b开发板1直接送达；与树莓派4b开发板1通过网络连接的设备（如工业级摄像头、硬盘录像机）的控制指令则需要工业级路由器进行转发送达。工业级路由器在组成的网络中通过arp/rarp协议寻目标设备，并将控制指令通过网络送达目标设备。
44.本实施例中，存储柜使用前需联网激活，单位管理员通过人机交互模块8输入存储柜编码，存储柜编码通过tcp/ip协议上传至云服务器2部署的化学药品安全智能管理系统3对存储柜编码进行验证，验证通过，存储柜联网激活完成。所述储柜编码由树莓派4b开发板1的mac地址通过md5加密算法加密得到。
45.本实施例中，单位管理员分配部门管理员和用户账号、密码，并设置相应的使用权限。用户通过人机交互模块8输入账号、密码登录化学品安全智能管理系统3，账号和密码通过tcp/ip协议上传至云服务器2部署的化学药品安全智能管理系统3对用户名和密码进行验证，验证通过便可进入化学品安全智能管理系统3，进行后续操作。
46.本实施例中，化学药品的入库由部门管理员完成，化学药品入库前需将二维码或条形码贴在化学药品包装上。所述二维码或条形码包含化学药品的基本信息以及虚拟“身份证号”；所述虚拟“身份证号”由八位当前日期编码+两位化学药品分类编码+四位入库批次编码组成（如20221001fs0001）；所述化学药品分类编码包括：jd（剧毒化学品）、yb（易爆化学品）、yr（易燃可燃化学品）、fs（腐蚀性酸或碱）等。
47.图3给出了本发明化学药品存储柜管控系统的电路连接示意图，图4给出了本发明化学药品存储柜管控系统的运行python脚本开关电磁锁的流程示意图。
48.本实施例中，若进行化学药品借还，用户首先应点击开锁按钮发送开锁指令，开锁指令由操作终端向云服务器2发送http请求，云服务器2接收到请求后做出开锁处理。具体开锁过程为：云服务器2将mysql数据库5中存储的门锁状态信息改为“开”，同时运行在树莓派4b开发板1上的python脚本通过工业级路由器所提供的网络服务与云服务器2建立连接，并实时查询mysql数据库5中的门锁状态；若查询到门锁状态为“开”，便运行python脚本发送开锁指令，开锁指令将树莓派4b开发板1与连接控制电磁锁继电器的gpio引脚设置为高电平，从而实现继电器的连通，供电控制模块6-9对电磁锁进行供电，门锁打开；同时，python脚本发送语音播报指令调用语音模块6-10运行，进行开锁提醒。
49.本实施例中，开锁后，用户管理模块6-1将用户开锁记录存储到mysql数据库5中。后续可进行化学药品扫描借还的操作，同时户管理模块6-1将用户化学药品的借还操作记录存储到mysql数据库5中。借还操作生成的借还指令操作化学药品信息管理模块6-3将mysql数据库5中化学药品库存记录进行修改，即化学药品借出时库存数量减少，归还时库存数量增加。
50.本实施例中，在门锁打开的同时，树莓派4b开发板1运行的python脚本使用opencv类库发送录像指令，操控工业摄像头对存储柜周围环境进行实时录像，同时抓拍照片，并将视频和照片存储到硬盘录像机中。
51.本实施例中，运行在树莓派4b开发板1上的python脚本通过工业级路由器所提供的网络服务向云服务器2发送http请求并上传所拍摄的照片，部署并运行在云服务器2中的深度学习模型4对照片进行检测，并将检测结果反馈至树莓派4b开发板1。若检测到用户存
在异常行为，树莓派4b开发板1中运行的python脚本与云服务器2建立ssh连接将抓拍的照片上传至云服务器2的mysql数据库5进行存储，此照片在用户管理模块6-1进行展示。若无异常行为，则删除抓拍的照片。
52.本实施例中，化学药品借还的操作完成后，用户应点击关锁按钮进行关锁操作，操作终端向与云服务器2发送http请求，云服务器2接收到请求后做出关锁处理。具体关锁过程为：云服务器2将mysql数据库5中存储的门锁状态信息改为“关”，同时运行在树莓派4b开发板1上的python脚本通过工业级路由器所提供的网络服务与云服务器2建立连接并实时查询mysql数据库5中的门锁状态；若查询到门锁状态为“关”，便运行python脚本发送关锁指令，关锁指令将树莓派4b开发板1与连接控制门锁继电器的gpio引脚设置为低电平，从而使继电器的连接断开，供电控制模块6-9结束对电磁锁的供电，门锁关闭；同时，python脚本发送语音播报指令调用语音模块6-10运行，进行关锁提醒。
53.本实施例中，关锁后用户管理模块6-1将用户关锁记录存储到mysql数据库5中。在门锁关闭的同时，在树莓派4b开发板1运行的python脚本使用opencv类库发送停止录像指令，操控工业摄像头停止录像和抓拍照片。
54.本实施例中，人机交互模块8提供的操作终端可显示存储柜的环境信息，如柜内温度、湿度、voc气体浓度信息以及化学品排风系统情况等，并可进行相应的参数设置。树莓派4b开发板1运行python脚本使用adafruit_dht类库发送温湿度信息采集指令，操控温湿度传感器采集柜内的温度和湿度信息；树莓派4b开发板1中运行的python脚本与云服务器2建立的ssh连接将采集到的温度和湿度信息上传至云服务器2的mysql数据库5进行存储。树莓派4b开发板1运行python脚本使用serial类库实现串口通信，向voc气体传感器发送voc气体浓度采集指令操控voc气体传感器检测存储柜内的voc气体浓度，voc气体传感器向树莓派4b开发板1反馈实时检测结果；树莓派4b开发板1中运行的python脚本与云服务器2建立的ssh连接将采集的voc气体浓度信息上传至云服务器2的mysql数据库5进行存储。由于所述温湿度传感器和voc气体传感器的工作电压为5v弱电，从而采用双运算放大器来解决远距离线路压降问题。
55.本实施例中，存储柜的通风由排风控制模块6-9实现，开启排风系统时，树莓派4b开发板1中运行的python脚本发送开启排风指令控制gpio引脚，将树莓派4b开发板1与连接控制排风扇继电器的gpio引脚设置为高电平，从而实现继电器的连通，供电控制模块6-9对变频直流排风扇进行供电，排风系统运行；关闭排风系统时，树莓派4b开发板1中运行python脚本发送关闭排风指令控制gpio引脚，将树莓派4b开发板1与连接控制排风扇继电器的gpio引脚设置为低电平，从而使继电器的连接断开，供电控制模块6-9对变频直流排风扇供电停止，排风系统停止运行。
56.本实施例中，树莓派4b开发板1持续工作会发热，为其配备散热风扇降温，保证其长时间稳定工作。
57.本实施例应用时，主存储柜设置工业级路由器、硬盘录像机和交换机，具有无线网络连接功能，能够与云服务器进行无线网络连接，进行数据交换。
58.从存储柜上不设置工业级路由器、硬盘录像机和交换机，其自身不具有无线网络连接功能。从存储柜通过主存储柜与云服务器建立网络连接，从存储柜拍摄的照片和监控视频可上传并保存到主存储柜的硬盘录像机中。
59.主存储柜可以单独使用，也可以与一台或多台从存储柜组合使用，可以降低从存储柜的购置成本。
60.本发明的管控系统既可以安装于存化学药品存储柜上，也可以安装于仓库、储存间等建筑物上，实现对危险化学药品的分类和智能化管控。

技术特征：

1.一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：包括树莓派4b开发板（1）和云服务器（2）；所述树莓派4b开发板（1）和云服务器（2）之间通过网络连接进行指令传递与数据交换；在所述云服务器（2）上部署化学药品安全智能管理系统（3）、深度学习模型（4）和mysql数据库（5）；所述化学药品安全智能管理系统（3），包括系统管理与控制模块（6）、异常状况检测模块（7）和人机交互模块（8）；所述系统管理与控制模块（6），包括用户管理模块（6-1）、单位信息管理模块（6-2）、化学药品信息管理模块（6-3）、存储柜环境信息管理模块（6-4）、视频监控管理模块（6-5）、排风控制模块（6-8）和供电控制模块（6-9）；所述异常状况检测模块（7），包括化学药品入库异常状况检测模块（7-1）、化学药品质量异常状况检测模块（7-2）和化学药品借还记录异常状况检测模块（7-3）。2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：还包括基于pyqt5技术开发的操作界面，可通过操作终端设定存储柜的相关参数。3.根据权利要求1所述的一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：所述深度学习模型（4），以pytorch库为基础基于yolov5加以改进，具体改进有：a）利用稠密网络中特征融合方式改进网络结构；b）使用k-means++对目标框进行聚类优化网络参数；c）利用迁移学习的方式对网络进行训练，降低训练时间。4.根据权利要求1所述的一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：所述人机交互模块（8），包括电脑终端（8-1）、移动终端（8-2）和柜体屏幕（8-3）。5.根据权利要求1所述的一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：所述系统管理与控制模块（6），还包括扫描模块（6-6）、称重模块（6-7）、和语音模块（6-10）。6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，其特征在于：终端用户通过所述人机交互模块（8）访问部署于所述云服务器（2）上的化学药品安全智能管理系统（3）；通过dns域名解析协议获取所述云服务器（2）的ip地址，然后根据用户的操作需求建立相应的连接；所述树莓派4b开发板（1）与云服务器（2）建立网络连接并通过tcp/ip协议完成数据和控制指令的交互，将用户终端输入的控制指令传输到所述树莓派4b开发板（1）；与所述树莓派4b开发板（1）直接相连设备的控制指令由树莓派4b开发板（1）直接送达，与所述树莓派4b开发板（1）通过网络连接设备的控制指令由工业级路由器进行转发送达；工业级路由器在组成的网络中通过arp/rarp协议寻目标设备，将控制指令通过网络送达目标设备。

技术总结

本发明涉及一种基于树莓派与云服务器的化学药品存储柜管控系统，包括树莓派4B开发板1和云服务器2；所述树莓派4B开发板1和云服务器2之间通过网络连接进行指令传递与数据交换；在所述云服务器2上部署化学药品安全智能管理系统3、深度学习模型4和MySQL数据库5；所述化学药品安全智能管理系统，包括系统管理与控制模块6、异常状况检测模块7和人机交互模块8。该系统可实现危险化学药品分类存放和智能化、精准化管控，自动化和智能化程度高，信息可溯源；可广泛应用于高校、科技公司和科研院所，实现对危险化学药品的规范化和智能化管控，降低因违规使用危险化学药品引起的事故发生率，具有良好的推广意义和实用价值。具有良好的推广意义和实用价值。具有良好的推广意义和实用价值。