智能綜合實驗室管理系統設計

魏志軍 楊云峰

關鍵詞： 智能實驗室; 管理系統; 射頻識別; 監控系統; Spring框架; 系統設計

中圖分類號： TN915?34; TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0090?04

Design of management system for intelligent integrated laboratory

WEI Zhijun1， YANG Yunfeng2

（1. Laboratory Construction and Equipment Management Department， Sanjiang University， Nanjing 210012， China;

2. Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： In allusion to the problems that the development and application of the current intelligent integrated laboratory management system are basically blank， the relevant theoretical research is not mature enough， the practical test results are undesirable， the performance of the management system is poor， and the response time of the system are long， a design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the radio frequency identification （RFID） system is proposed and designed. The system mainly consists of two parts of hardware and software. In the hardware part design of the system， the RFID system is adopted to mark and track the laboratory equipments. The intelligent laboratory monitoring system is designed and installed to connect the management system. In the software part of the system， the compiling function of the Java language is employed， and the whole management system is established by using the current mainstream Spring framework. The experimental results show that the design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the RFID system can effectively realize management of the intelligent integrated laboratory， obtain accurate practical test result， has good system performance， and can significantly reduce the response time of the system.

Keywords： intelligent laboratory; management system; RFID; monitoring system; Spring framework; system design

0 ?引 ?言

當今社會教育和科研事業快速發展，智能綜合實驗室成為學校和科研機構培養人才和進行科學研究的場所，受到越來越多的重視[1]，實驗室管理也將成為對高校評估考核的重要指標。同時智能綜合實驗室也存在著較多的問題，政府部門和各大高校都加大了對實驗室的投入力度，對破舊設備進行更新，大量引入高端先進儀器設備，高校學生規模不斷擴大，實驗室管理的工作量也大大增加，管理人員在教學的壓力下，對實驗室的投入精力越來越少，導致實驗室管理隊伍建設跟不上實驗室儀器更新的速度，造成大量的設備資源閑置，得不到有效發揮[2]。為此，很多實驗室采用了統一的實驗室管理系統，雖然提高了工作效率，減少了小部分手工工作，但是基本上還是以手工方式為主，無法實現實驗室智能自動化管理[3?4]。

文獻[5]提出一種基于食品安全的智能實驗室管理系統設計方法。建立實驗室的智能信息化，實現實驗室項目在線查詢、跟蹤和數據的采集、實驗室人員量化考核等功能，達到實驗室信息管理系統的高效運轉，但是采用該方法設計的智能實驗室管理系統方法的系統性能相對較低，響應時間較長。文獻[6]提出一種基于無源UHF RFID實驗室設備管理系統設計方法。該方法將兩個無源信息端口的射頻識別信號利用功分器將它分到4個天線上，以此獲得的實驗室射頻能量更加均衡。但采用該方法設計的實驗室管理系統的系統響應時間過長。

為了解決上述問題，提出并設計了一種基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法。系統主要分為硬件和軟件兩大部分，系統硬件部分設計采用射頻識別系統作為實驗室設備的標注和跟蹤，設計安裝智能實驗室監控系統與管理系統相連接;系統軟件部分采用Java語言編寫功能，利用當前主流的Spring框架來搭建整個管理系統。實驗結果表明，所提基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法能夠有效實現智能綜合實驗室管理，所得到的實踐測試結果準確，系統性能較好，大幅度提高了系統的響應時間。

1 ?智能綜合實驗室管理系統設計

1.1 ?智能綜合實驗室管理系統硬件設計

射頻識別技術隨著物聯網技術的發展，通過射頻信號電磁耦合來自動識別管理對象并獲取相關數據信息。主要有兩種工作方式：主動式和被動式。主動的發送數據給讀寫器和被動的從通信能量電磁波中獲取數據。

射頻識別技術系統主要由3部分組成，如圖1所示。

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電子標簽是由數據電磁信號耦合元件和芯片組成，每個標簽都有一個相對應的射頻識別編碼，對目標對象進行標注。讀寫器是讀取標注信息的設備。

射頻識別系統有3大特點：對每一個物體進行標注，而不是一類物體;對距離較遠的多個物體進行同時識別;對數據信息存儲量非常大。

本文智能綜合實驗室管理系統硬件部分設計采用射頻識別系統作為實驗室設備的標注、跟蹤和門禁系統，設計安裝監控系統與管理系統相連接。系統主要有以下幾大模塊，如圖2所示。

1） 智能綜合實驗室設備管理子系統

智能綜合實驗室管理子系統主要分為兩個方面：智能實驗室設備信息維護和實驗設備統計。

模塊的硬件部分設計采用射頻識別系統，實現智能綜合實驗室設備管理的自動化，射頻識別系統通過相應的接口與實驗管理系統連接，實現管理系統的對應功能，模塊架構圖如圖3所示。

該模塊主要問題是射頻識別系統的選擇和與智能綜合實驗室管理系統之間的連接問題。在射頻識別系統的選擇上需要考慮數據信息識別的距離、準確性、安全性的問題以及與讀寫器的接口標準。根據這些要求可以考慮使用更先進的超高頻射頻識別系統，射頻識別系統與管理系統的接口方式有很多選擇，包括無線方式和有線方式，都是比較成熟的解決方案。

2） 智能綜合實驗室教學管理子系統

智能綜合實驗室教學管理子系統模塊是完成實驗教學的功能，主要功能為：實驗課程管理、實驗成績管理、對實驗數據進行統計等。該模塊是標準的智能實驗室信息管理系統，大部分功能可通過軟件系統表現出來。該系統必須與上述智能綜合實驗室設備管理子系統進行對接，查詢有關的實驗設備更新相對應的實用狀態，從而實現智能綜合實驗室設備的預定管理。

3） 智能綜合實驗室人員管理子系統

實驗室人員管理是針對開放式智能綜合實驗室管理所提出的。在智能的使用環境中，實驗室使用人員比較復雜，以往登記方式很難進行登記管理。本文采用的射頻識別系統結合了人員管理模塊、實現有效的智能自動化的人員管理，主要功能為進出實驗室人員登記注冊、人員信息隱私保護和權限設定管理等。

在智能綜合實驗室硬件方面，需要在綜合實驗室的出入門安裝固定射頻識別系統讀寫器，作為出入門禁，對可以隨意出入實驗室的人員，發放電子標簽門卡，并將這些人員信息寫入此電子標簽門卡中，射頻識別系統讀寫器與人員管理子系統進行連接，有效地完成電子標簽信息的讀取和信息的寫入。該模塊實驗室門禁系統工作流程示意圖如圖4所示。

1.2 ?智能綜合實驗室管理系統軟件設計

智能綜合實驗室管理系統軟件平臺使用Java語言編寫，能有效實現智能綜合實驗室管理，如圖5所示。智能綜合實驗室管理系統軟件功能為：

1） 用戶管理功能。主要功能是對用戶進入實驗室信息和用戶權限進行管理。

2） 實驗室數據設置功能。主要功能是實現實驗室與各平臺服務之間的數據交換和資源共享。

3） 資源管理功能。主要功能是對實驗室信息、實驗項目、實驗隊伍、實驗儀器、實驗室房間進行管理。

4） 智能實驗室開放管理功能。主要功能為實驗室排隊站位、儀器審批、容易破壞儀器賠償、實驗室預約審批、收費資金管理、培訓管理、實驗室工作日志。

5） 物聯管理功能。主要功能是與智能實驗室管理控制系統相配合，實現預約審批后才可刷卡進入，為預約實驗儀器配置電源和儀器運行使用提供監控和語音提示的功能。

2 ?系統性能測試與結果分析

為了驗證基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法的整體有效性，需要對基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法進行測試。本次測試的操作系統為Windows 7，內存容量為8 GB，硬盤容量為180 GB，將所提方法與基于食品安全檢測的智能實驗室管理系統方法和基于射頻識別系統智能實驗室管理系統方法進行系統性能對比實驗，測試結果見圖6。

分析圖6a）可知，采用基于食品安全檢測的智能實驗室管理系統方法的系統性能測試結果為40%以上;分析圖6b）可知，采用基于射頻識別系統智能實驗室管理系統方法的系統性能測試結果為55%以上，分析圖6c）可知，所提方法的系統性能測試結果為80%以上。對比3種不同方法的測試結果可知，采用所提的基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法的系統性能最高，原因在于文中利用射頻識別系統和Spring框架的硬件和軟件系統進行智能綜合實驗室管理工作，大大地提高實驗室工作效率，具有較高的智能實驗室管理系統性能。將所提出方法與基于射頻識別系統智能實驗室管理系統方法進行系統響應時間對比測試。測試結果如圖7所示。

由圖7可知，當測試次數為50次時，基于射頻識別系統智能實驗室管理系統方法的系統響應時間為32 s，所提出方法的系統響應時間為25 s，兩種方法的系統響應時間相差不大;當測試次數為100次時，基于射頻識別系統智能實驗室管理系統方法的系統響應時間為26 s，所提方法的系統響應時間為15 s。測試結果表明，所提出方法的系統響應時間最短。

3 ?結 ?論

本文提出并設計一種基于射頻識別系統的智能綜合實驗室管理系統設計方法。其利用射頻識別系統的自動化設備管理和Spring靈活性的特點，設計智能實驗室管理系統，該系統實現了實驗室完整的、智能自動化管理模式，降低了人員手動工作，大大提高了工作效率和數據統計管理的準確性和可靠性。

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