實驗室“互聯網+檢測”模型與技術的構建探索

過峰+趙介軍+霍大云+聶義

摘 要：“互聯網+檢測”將實現樣品檢測、設備耗材、數據提取、運行管控、報告形成、客戶訪問、數據分析等檢測工作的智能化管理與自動化操作。目前，多數實驗室由于受數據提取、互聯互通等技術的限制，使得“互聯網+檢測”的“最后一公里”無法打通。文中對實驗室“互聯網+檢測”的模型設計、智能管控方法進行了介紹，提出了射頻識別、傳感識別、圖像識別、互聯互通等技術在實驗室的運用方法，以此為實驗室實施“互聯網+檢測”提供工作思路。

關鍵詞：互聯網；產品檢測；射頻識別；傳感識別；圖像識別；互聯互通

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著我國政府對互聯網基礎設施建設的重視，對大數據、云計算發展戰略的部署關注越來越多。目前，國務院發布了《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》等系列文件，而這些文件也成為實施“互聯網+”行動計劃的綱領性文件，文件提出要推進“互聯網+”，明確了促進創業創新、協同制造、現代農業等若干能形成新產業模式的重點領域發展目標任務，并明確了相關支持措施。當前已出現了“互聯網+教育”“互聯網+金融”“互聯網+環保”“互聯網+文物保護”等項目 [1]，但“互聯網+檢測”方面相對較少，且技術不完善，發展空間較大。

目前，很多實驗室都運用實驗室軟件系統進行實驗室管理，擁有自己的互聯網公共平臺，使用的檢測設備也都具有數據通信功能。但由于檢測設備自帶的通信技術、通信協議、文件格式、數據格式等不統一，使得“互聯網+檢測”的“最后一公里”無法打通。這已成為實現“互聯網+檢測”的瓶頸。“互聯網+檢測”將互聯網與傳統檢測技術相結合，通過物聯、傳感、通訊等技術構建了智能化實驗室，使得實驗室具備業務管理智能便捷、檢測數據互通互聯、實驗室運行參數遠程可控、檢測工作遠程實施、檢測報告自動存儲和遠程調取等功能。因此，必須通過智能化技術將樣品管理、標準資料、設備耗材、數據提取、運行監控、數據分析等檢測過程中的工作要素通過數字化方式串聯起來，實現工作要素與互聯網的互聯互通[2]。

1 “互聯網+檢測”的功能需求與模型

利用現有計算機、Internet網絡，結合射頻識別、圖像識別、傳感識別、數據轉換等技術實現數據提取。同時，通過組合使用各種通信技術，將檢測數據的檢測信息和各監控設備的監控信息傳送到數據庫。完成實驗室運行、檢測設備運轉、產品檢測結果等各類數據的自動采集，通過互聯互通操作傳輸數據并將其存儲在云數據庫中，實現檢測樣品、標準資料、設備耗材、數據提取、運行監控、報告形成、數據分析等工作的智能化管理。同時，通過計算機訪問受限技術可遠程讀取實現檢測數據。當客戶登錄系統時，從實驗室獲取訪問權限，可在數據庫中讀取所需產品的檢測數據和檢測報告。客戶也能夠將反饋信息存儲在數據庫中，而實驗室可通過訪問權限獲取反饋信息，完善檢測需求服務。“互聯網+檢測”功能的主要需求如圖1所示。“互聯網+檢測”模型如圖2所示。

2 實驗室運行狀態多參數監控技術

借助現有的計算機、Internet網絡技術，通過網絡將檢測設備的檢測信息和各監控設備的監控信息傳送到云數據庫，以確保實驗員和客戶可實時查看每一臺設備的運行狀況，并檢測實驗室的環境狀況，使實驗室管理更加規范。以機電實驗室電熱水器能效檢測裝置為例分析多參數監控。實驗室多參數監控模型的主要運作模式如圖3所示。

實驗室監測系統以C8051F040單片機為核心，由傳感器、信號調理電路、數據處理電路、鍵盤、通信接口等組成。在對電熱水器進行能效檢測時，通過溫度傳感器、功率傳感器、流量傳感器等對實驗參數進行采集，數據經處理后，由單片機通信接口電路將數據傳輸至CAN總線（CAN總線作為目前最有前途的現場總線之一，擁有實時性好、可靠性高、性價比突出等優點）[3]。實驗室中的其他設備以相同原理分別組成智能監控系統2、智能監控系統3等。最后，實驗室的所有監測數據都將上傳至CAN-Ethernet總線（實現現場CAN總線網絡和以太網通信之間的轉換），最終通過以太網將數據傳送至監控計算機完成實驗室多參數的采集。CAN總線和以太網通信穩定可靠，數據傳輸準確無誤，監控中心的監控計算機可以實時準確地獲得現場數據[4]。本系統實現了對監控實驗室數據及時、準確地檢測，而CAN總線和以太網通信準確可靠的特性則保證了實驗室多參數數據的準確傳輸，同時實驗室人員可以通過監控計算機隨時獲取當前及之前的實驗設備參數，方便實時監控和后期檢查。

3 實驗室智能管控的實施方法與技術

實驗室開展的檢測工作涉及樣品、設備、檢具、夾具、耗材等[4]，因此，要實現“互聯網+檢測”就需要實驗室與這些物品建立起數據實時交換的互聯互通系統，即實驗室需實現智能管控，使得在檢測過程各環節的物品能在檢測工作中進行數據自動交換。而實驗室可以更多的采用射頻識別技術和傳感識別技術。

在射頻識別技術中，RFID標簽是主要的數據載體，通過分布式RFID的應用及與Internet技術的連接，可實現與貼標物品的數據交換。實驗室可依托自身已有的實驗室管理軟件平臺，在內部建立EPC網絡架構。該架構主要由數據庫、應用軟件、讀寫設備以及電子標簽等部分組成，如圖4所示。實驗室將樣品管理信息寫入RFID 標簽，通過固定式讀寫器或手持讀寫設備與實驗室管理軟件聯通，對樣品流轉狀態、檢測進程、檢測狀態等實現自動識別，提高樣品管理和流程管理的效率。將設備檢具的管理信息寫入RFID 標簽，通過固定式讀寫器與實驗室管理軟件的互聯，對設備檢具的放置位置、計量周期、維護周期、保養要求等實現自動識別與提示，提高設備管理的效率和準確性。將耗材和檢具的管理信息寫入RFID標簽，通過固定或手持式讀寫設備，實現對耗材和檢具的智能化管理。甚至可在實驗室工作服內放置RFID 標簽，通過固定式讀寫設備實現對工作人員活動情況的日常管理[5]。endprint

隨著傳感識別技術的發展，新型傳感器正向著智能化、小型化、集成化、多功能化等方向發展，傳感器在種類上已由過去的少數品種擴展到光敏、熱敏、力敏、電壓敏、磁敏、氣敏、濕敏、聲敏、射線敏、離子敏、生物敏等，使得傳感識別技術在國防、工業等領域得到成熟運用。智能傳感器技術的飛速發展為實驗室實施智能管控提供了更多可選的技術方案。實驗室可組合運用上述傳感器技術，依托自身已有的實驗室管理軟件，借助現有的計算機、Internet網絡技術，對實驗室設備參數進行實時采集，并將采集的參數通過網絡傳輸到中央控制系統，實現設備參數的集中管理。中央控制系統采用圖形化界面的方式，將前端傳輸過來的數據參數進行分析、整理，通過模擬實驗室畫面實現實驗室多參數監控和運行狀態的互通互聯。也可對實驗室溫度、濕度、電、水、氣等運行參數進行智能控制，提高運行效益。

4 檢測數據提取的實施方法與技術

目前，很多實驗室都已開發并運用了實驗室軟件系統，并建立了自己的實驗室數據庫，且其配置的多數檢測設備都具有數據通信功能。但由于檢測設備的通信協議與技術、輸出文件格式與內容不統一，導致無法自動將檢測數據提取至實驗室數據庫，而這已成為實現實驗室“互聯網+檢測”的瓶頸。實驗室有望通過運用圖像識別技術、傳感識別技術、Excel軟件技術突破該瓶頸。

圖像識別技術利用計算機和數學推理的方法實現了對形狀、模式、曲線、數字的圖像識別與信息提取。在實驗室檢測過程中，由于指針式電壓表、液壓表、百分表等檢測設備產生的數據無法實現互聯互通，因此常由人工讀取數據。對于這種現象，實驗室可采用圖像識別技術進行處理。運用CCD數據采集代替人工數據提取，由CCD采集指針指示數據、指示柱顯示數據等示值圖像，通過軟件分析提取圖像預處理、二值化、細化特征點，然后形成電子化數據輸出，具體如圖5所示。圖像識別技術在人工讀數環節的應用，實現了人工讀數環節檢測數據的自動提取，而與實驗室數據庫的融合，使得該類檢測設備的檢測數據與互聯網實現了互聯互通。同時，可結合軟件系統預設的限值對提取出的數據進行結果自動判定，降低人為錯誤，提高檢測效率。

目前，實驗室配置的先進檢測設備通常自帶檢測數據輸出功能。但由于各檢測設備自帶的數據庫結構并不統一，導致實驗室檢測數據庫無法與檢測設備數據庫直接對接，輸出的檢測數據無法直接進入實驗室檢測數據庫。因此實驗室需要對檢測設備輸出的檢測數據進行二次處理，方可實現數據的自動提取。雖然檢測設備自帶的檢測數據庫結構不同，結果輸出為圖形、曲線等，但它們可以將數據以類似Excel表格的形式導出電子數據。因此，在該過程中可使用Excel軟件技術，對設備輸出的實驗室所需數據進行標注，通過軟件對標注的數據自動提取，并將自動提取的數據按照實驗室數據庫結構進行自動錄入。實現自帶檢測數據輸出功能的檢測設備與實驗室數據庫的無縫對接。

此外，可將傳感識別技術直接用于檢測。如前文所述，由于傳感識別技術的迅猛發展，新型傳感器不僅向著集成化、智能化方向發展，也向著種類多樣化的方向發展，同時其精度也越來越高。因此，在精度滿足檢測工作要求的情況下，可運用溫度、電流、振動、濕度、壓力、位置等智能化傳感器提取檢測數據，使其可直接服務于檢測工作。通過實驗室軟件平臺，將采集到的數據匯入實驗室檢測數據庫。

5 檢測數據傳輸的實施方法與技術

目前，很多實驗室受網線布局等硬件條件的限制，無法有效保障檢測數據傳輸的實時性，因此實驗室“互聯網+檢測”應運而生。可結合實驗室布局情況建立多種無線形式的檢測數據傳輸方式[6]。

使用有源或無源RFID標簽，通過UHF頻段與RFID固定式或手持式讀寫器進行無線連接，讀寫器與實驗室數據庫進行有線或無線連接，實現數據的互聯互通。在設備處設置無線路由器，使用WiFi技術將設備的有線信號轉化為無線信號，然后通過UHF、ISM等頻段與實驗室數據庫進行無線連接，實現數據的互聯互通。可在設備中設置藍牙，采用無連接（ACL）方式進行數據傳輸，形成短距離無線通信，實現與實驗室數據庫的連接[7]。互聯互通示意圖如圖6所示。

6 結 語

“互聯網+檢測”的內涵涉及實驗室智能管控、檢測數據提取、報告自動生成、遠程檢測實施、客戶需求定制服務、大數據分析等內容，但最關鍵的是數據提取和互聯互通。因此，在“互聯網+檢測”的推廣中應重點對各類數據的提取技術方法進行研究構建，并應結合實驗室實際現狀研究通信技術的組合運用。“互聯網+檢測”是未來檢測技術的發展趨勢，所以必須對數據提取技術和通信技術進行研究并取得突破，才能為“互聯網+檢測”的推廣應用以及后續檢測需求定制化服務和檢測數據大數據分析等提供技術基礎。

參考文獻

[1]寧家駿.“互聯網+”行動計劃的實施背景、內涵及主要內容[J].電子政務，2015（6）： 32-38.

[2]黃楚新，王丹.“互聯網+”意味著什么——對“互聯網+”的深層認識[J].新聞與寫作，2015， （5）： 5-9.

[3]張弘.基于CAN總線的信號采集與處理模塊研究[D].南京：南京航空航天大學， 2007.

[4]過峰，聶義，俞建峰.射頻電子標簽可靠性試驗研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2016， 34（4）： 5-11.

[5]過峰，趙介軍，梁奇，等.基于RFID技術的系統構建與驗證方法選擇[J].家電科技，2016（5）： 44-47.

[6] Boss R W.The Open System Interconnection as a building block in a health sciences information network[J].Bulletin of the Medical Library Association， 1985，73（4） 330-337.

[7] Lu Y， Morris K C， Frechette S. Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems[J].NISTIR， 2016：8107.

[8]朱志強，孫英，鄧振軍，等.射頻識別技術（RFID）在口岸防控物資倉庫中的設計與應用[J].物聯網技術，2014，4（5）：15-17.endprint