基于WSN的大型儀器設備開放共享管理系統構建

葛 磊, 張其平, 孫 強， 管圖華

(南通大學 a.實驗室與設備管理處； b.電子信息學院,江蘇 南通 226019)

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·儀器設備供應與管理·

基于WSN的大型儀器設備開放共享管理系統構建

葛 磊a, 張其平a, 孫 強b， 管圖華a

(南通大學 a.實驗室與設備管理處； b.電子信息學院,江蘇 南通 226019)

分析了高校目前在大型儀器設備開放共享平臺建設中的一些問題，如有線通信方式導致受網絡布線制約大、成本高，儀器設備種類繁多導致儀器設備運行狀態缺乏標準信息輸出接口，儀器終端監控設備缺乏有效機時統計功能、體積龐大、不可靈活移動等。針對這些問題提出利用多匯聚(Sink)節點的無線傳感器網絡(WSN)技術運用于大型儀器管理，設計出一套集實時監控、智能報警、遠程控制、預約管理、經費結算為一體的智能化大型儀器設備開放共享管理系統。該系統具有監測數據采集靈活多樣、無需布線、成本低廉、對儀器設備的分布位置無要求、可滿足移動的大型儀器設備的數據采集與監測等特點，在人才培養、科學研究以及提高大型儀器設備的使用效益上發揮了巨大作用。

大型儀器設備； 開放共享； 多匯聚節點； 無線傳感器網絡； 管理系統

0 引 言

隨著我校近幾年學科及博士點建設、中央地方共建等經費的大力投入，學校大型貴重儀器設備臺套數有了大幅增加，10萬元以上的大型儀器設備從2010年的523臺增加到2014年的826臺，40萬元以上的大型儀器設備從2010年78臺套增加到2014年145臺套，在短短的4年里翻了一番。如何提高大型儀器設備的使用效益，使人從繁瑣的大型儀器設備管理工作中解放出來，為實驗室管理、儀器設備管理以及學校職能部門的管理人員提供一個信息化、多功能的管理平臺，為需要使用大型儀器設備的老師、學生、校外用戶提供一個方便快捷的預約結算平臺，提高智能化、科學化管理和工作效率，是目前所面臨的問題。

1 高校大型儀器開放共享管理系統現狀

目前我校大型儀器設備開放共享管理系統功能單一，僅限于大型儀器設備信息介紹和查詢的功能，實際管理中的諸多問題未能解決，如使用機時統計、預約登記、績效管理、經費結算等，這些工作還停留在傳統的人工管理、紙質登記的方式。大型儀器設備臺數大幅增加后，設備管理人員缺乏，一個人需要管理好幾臺大型儀器設備，老師工作量大大增加，管理上出現較多問題，如大型儀器設備不同程度存在著管理分散封閉、用戶預約使用難、大型儀器管理人員樣品來不及處理等狀況，信息形式局限于“靜態”范圍[1]，無法對設備進行動態管理，而且各管理部門之間缺乏有效的協調與溝通，形成“信息孤島”，不能滿足現代化的管理要求。

隨著網絡通信技術、計算機等技術的飛速發展，國內部分高校已經探索開發出了硬件和軟件共存的更加高效智能的大型儀器開放共享管理系統[2-13]，極大提高了高校大型儀器的使用效益和投資效益。但這些系統仍存在一些不足之處。

(1) 現行的大型儀器設備管理系統大多通過有線互聯網的方式進行數據傳輸，這樣的通信方式受網絡布線的制約較大，沒有布線的地方需要重新布線，成本增加，而且重新布線也不利于實驗室的美觀。同時有線網絡的通信方式對設備的安放位置有一定要求，需要固定在某一個地方，而對于沒有固定位置的大型儀器設備無法應用。

(2) 學校的儀器設備種類繁多，使用環境和運行狀態各不相同，缺乏標準的儀器運行信息輸出接口，導致獲取儀器設備的運行狀態信息難度大，目前還沒有通過同一種技術手段獲取各類儀器設備準確運行狀態信息的方法[14]。

(3) 在儀器設備狀態監測中大部分應用的是檢測工作電流的方式或者是電源監控模式，而有些儀器需要較長的待機時間，無法有效區分機時的有效性[15]。

(4) 為獲取大型儀器的運行狀態數據，一般都需外接一個儀器終端監測設備[16]，這種外接設備對于經常需要更換使用地點的貴重儀器設備顯然非常不方便，不具備可操作性，有些外接儀器終端監測設備體積較大，占用了本來就不寬裕的工作空間。

(5) 開放收費尚未實現與財務數據的實時對接，這部分工作在技術上是可以實現的，但是基于現行的學校財務和其他方面的管理制度制約，仍然需要繁瑣的程序來完成。

基于上述問題的存在，高校大型貴重儀器設備開放共享管理系統還需要進一步的完善與改進，管理手段也需要不斷的創新，這樣才能更好的推動大型儀器管理體制與機制的改革，利用現在先進的技術手段將人力資源從繁瑣的工作中解放出來，提高共享平臺的管理效益，最終實現大型儀器可持續共享。

2 基于WSN的大型儀器設備開放共享管理系統的架構

隨著無線通信技術的飛速發展和廣泛應用，對設備管理過程的業務流程、資源共享、效益評價等各個方面產生了重大影響。互聯網、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)、通用分組無線業務/全球移動通訊系統(General Packet Radio Service/Global System for Mobile Communications，GPRS/GSM)等現代通信技術都為設備管理提供了更靈活的手段。

基于WSN技術的大型儀器設備開放共享管理系統是由硬件部分和軟件部分所組成，通過分布在現場中的傳感器節點采集大型儀器設備的相關信息，然后根據事先規定的協議，通過WSN和GPRS技術將現場采集的信息傳送至總控中心或分控中心的Web服務器上，眾多節點協同工作完成數據采集，實現統一的網上發布，在傳感器網絡通信保持暢通的條件下，用戶端可以在校園的任何一個電腦終端或手機上獲取相關的設備信息。

2.1 硬件部分

為了保證系統監測數據傳輸可靠性，大型儀器設備開放共享管理系統采用多匯聚(Sink)節點的無線傳感器網絡[17]。該系統的硬件部分由傳感器節點、Sink節點和監控中心構成，見圖1。

傳感器節點是直接安裝在每臺大型儀器設備上的終端節點，它包括一個射頻卡刷卡取電節點、電能測量控制節點和無線傳輸模塊，可以分別對電源的開關狀態進行無線控制，并監測大型儀器設備的電流狀態，判斷設備是使用狀態還是休眠狀態。一旦電流數據發生變化，傳感器節點將采集的電流數據匯總給Sink節點。該傳感器節點傳輸可視距離可達到500 m，最大負載電流為10 A，電壓220 V，同時還支持13.56 M射頻卡，并具有放拆、功率、電流檢測功能。若需要監測其他數據還可以靈活在終端安裝墻式紅外檢測節點、聲光報警器節點、開啟關閉布防節點、設備定位管理節點等，以滿足不同的管理需求。

圖1 基于WSN技術的大型儀器設備開放共享管理系統

Sink節點將收集到的監測數據經過GPRS發送至監控中心，同時接收監控中心發來的各項指令。對于設備較為集中的實驗室，1個實驗室安放1個Sink節點即可完成數據傳輸。Sink節點通過特定的地址編號與其通信，并可以通過軟件設計接收新加入的終端節點而不必調整系統現有硬件和軟件結構。為了保證WSN數據采集的同時性，該系統中的時間同步以Sink節點的時間為基準，在Sink節點初始化后開始時間同步過程，為避免時間偏移過大，在每次復位和某個固定的時間都要進行時間同步。

監控中心負責數據處理和信息管理，并對整個WSN進行實時的狀態監控和隨機查詢。這個系統結構靈活，可以任意的增添、移動和刪除終端節點，對終端節點的分布位置無任何要求。同時可以在空閑的時候啟動對現場終端節點的重新搜索，以隨時更新現場終端節點的信息，從而實現系統的硬件自組織功能。

為了使大型儀器設備開放共享管理系統可靠運行，需要設計適合于該系統硬件平臺的網絡協議：①物理層選擇接收靈敏度高，低發射功率的射頻芯片ADF7020，并采用GFSK調制方案，工作頻率為433 MHz，數據傳輸速率是9.6 kb/s；②MAC層采用碰撞避免的載波偵聽多址接入技術，即每個節點在發送數據前先監聽信道上其他節點是否在發送數據，如果發現已經有數據在發送，則此節點暫時不發送數據，延遲一個隨機時間再次監聽信道，一旦發現信道空閑之后，就將數據發送出去；③路由協議采用支持多Sink無線傳感器網絡的上下行異構的路由協議[18]，上行路由可以采用基于最小跳數的路由算法，下行路由可以采用源路由策略，利用上行數據中稍帶的路由信息，構建一個全局的下行路由表。發送下行命令只需從下行路由表中查詢路由。該協議具有魯棒性，即某些節點發生故障的時候，能夠保證其它節點快速重建路由；④應用層可以支持時間驅動的模式采集數據，也可以根據查詢命令的方式采集數據信息。

2.2 軟件模塊

軟件采用B/S架構，實現了大型儀器設備的信息查詢、用戶管理、開放預約管理、經費使用結算、設備狀態實時監測、設備真實使用情況統計等功能。

考慮到技術不斷進步和需求不斷變化，系統設計把先進性放在首位，同時本著以人為本，著重從平臺的實用、便利、可操作性考慮，盡可能化繁為簡，使得軟件使用者(實驗室管理部門及各學院工作人員)能切實感受到使用軟件所帶來的便利及優勢，自發地支持與幫助軟件的開發與應用。在考慮技術先進性和開放性的同時，還從系統結構、技術措施、系統管理等方面著手，確保系統運行的可靠性和穩定性，以達到最大的平均無故障時間。在應用系統平臺設計中，充分考慮信息資源的共享，注意信息資源的保護和隔離，針對不同的應用和不同的網絡通信環境，采取不同的措施，包括系統安全機制、數據存取的權限控制等。

軟件部分共有8大功能模塊，首頁管理、系統設置、中心管理、賬號管理、預約管理、儀器管理、充值管理、匯總統計。各功能模塊之間保證相對獨立與必要關聯，并且保證系統成員在同一界面下使用系統的所有管理功能，如圖2所示。

3 實施成效

結合我校實際情況，選取了部分學院對該套系統進行試點運行，該系統具有原來的大型儀器開放共享平臺所不具備的一些優勢。

(1) 無線組網通信方式相對于有線的互聯網無需布線，成本低廉，對儀器設備的分布位置無任何要求，可以滿足移動的大型儀器設備的數據采集與監測。

(2) 相對于單純的電流和電源監控來說，這種傳感器的數據采集更加靈活多樣，可以根據不同類別儀器的各自特點選擇相應的數據監測項目，然后通過相應的數據處理形成統一的標準的儀器運行狀態數據進行傳輸，便于管理者對儀器設備的實時監控。

(3) 整個系統的投入運行成本較低，設備經費相對緊張的高校也可以實施。

(4) 傳感器體積較小，相對于現在的外接儀器設備終端監測設備來說不會占用太多的空間。

(5) 這種基于無線通信的開放共享管理系統可以和手機終端間實現實時通訊，用戶不僅可以在電腦上登錄系統，還可以通過手機登錄系統進行設備的查詢與使用預約，預約結果也可以通過手機短信方式傳送到手機終端，極大的方便用戶的使用。

為了保障系統正常良好的運行，在試點運行的學院出臺了“大型儀器設備開放基金管理辦法”、“大型儀器設備維修基金管理辦法”、“大型儀器預約使用管理辦法”、“大型儀器對外開放收費管理辦法”等一系列的配套管理制度。據不完全統計，系統運行以來，這些學院的大型儀器設備的平均年使用機時從2011年的593 h提高到2014年的784 h。在使用過程中，我們還對系統及配套的管理辦法進行不斷的完善，并得到老師的廣泛認可，大型儀器設備的利用率和共享率明顯上升，大型儀器設備管理操作人員工作量大和預約使用困難的問題也得到有效解決。

4 結 語

利用多匯聚(Sink)節點的無線傳感器網絡(WSN)技術，提出的基于WSN的大型儀器設備開放共享管理系統，以無線方式組網，結合GPRS技術，兼容性高、拓展性強，通用可靠性高，方式靈活，有效減少布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大，成本高和升級維護困難等問題，實現了大型儀器設備的信息公開、使用授權、實時狀態監測、預約管理、報表統計、績效考核與經費結算等功能，為實驗者提供方便快捷的服務，也為管理者提供低成本、易于操作的無紙化管理平臺，使大型儀器資源得到充分有效的利用。

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The Construction of Opening and Sharing Usage and Management of the Large-scale Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Networks

GELeia，ZHANGQi-pinga，SUNQiangb,GUANTu-huaa

(a. Office of Lab Management and Equipment; b. School of Electronics and Information,Nantong University, Nantong 226019, China)

This paper analyzes the problems in the construction of sharing platform for the large-scale instruments, such as the restriction and high-cost of the network wiring caused by the wired communication mode, the lack of standard information output interface in the equipment’s running states caused by a wide variety of instruments, the lack of a valid using time statistic function for terminal monitoring equipment, the huge volume, the lack of flexible motion and so forth. This paper proposes to use wireless sensor network (WSN) with multiple sinks to design a set of large instruments and equipment open sharing platform which integrates real-time monitoring, intelligent alarm, remote control, intelligent appointment management, funds settlement. This system has some favorable characteristics, such as flexibility of the data acquisition, low cost, no requirement for wiring and location of the equipment, and it can meet the requirements of the large-scale equipment of mobile data acquisition and monitoring etc. The system has played a significant role in talent-development and scientific research as well as efficient utility of the large instruments and equipment.

large-scale instruments； opening usage and sharing； multi-sink nodes； wireless sensor networks； management system

2015-02-22

江蘇省高校實驗室研究會課題(GS2012YB41)；南通大學教改課題(2012A7-01)

葛 磊(1981-)，女，江蘇南通人，碩士，助理研究員，副科長，研究方向：無線傳感器網絡定位研究、大型儀器設備管理。

Tel.: 13515201537；E-mail:ge.l@ntu.edu.cn

管圖華(1962-),男,江蘇南通人,碩士,副研究員,處長,主要研究方向:高教管理與儀器設備管理。

Tel.:13962911098;E-mail:tygth@ntu.edu.cn

TP 391；G 482

A

1006-7167(2015)11-0259-04