高校實驗室智能化管理系統的設計

文 燕，李 雪，李 敏

（成都農業科技職業學院 信息技術分院，四川 成都 611130）

近年來，隨著國家對高校實驗室的建設越來越重視，高校實驗室在科研、人才培養及成果創新等方面取得豐碩的成果，也推動了我國高等教育的發展。經過多年的發展，高校實驗室的管理水平較上個世紀有了很大進步，但在高校實驗室建設和發展的過程中，實驗室管理和實驗設備的利用率等問題顯得尤為突出。目前，大部分高校實驗室的信息化管理系統，僅僅是對實驗室的資源、設備和人員信息的管理，在實驗室環境檢測、設備控制和安全管理方面涉及不多。

用傳統的方式來管理高校實驗室，不僅方法落后，費事費力，效率低下，而且成本高昂。這些傳統的管理方式已經不能滿足當前高校實驗室的迅速發展，目前實驗室管理存在的突出問題主要表現在：

（1）對設備信息進行實時查詢、監管以及維護效率不高，從而經常出現設備丟失現象，給實驗室管理員帶來許多的麻煩，浪費了大量的物力與財力。

（2）在實驗課上，老師通過人工方式了解學生出勤情況，不僅費時，還容易出錯。

（3）各實驗室之間無法共享資源，實驗室之間共享資源率低，尤其是一些高端精密設備、跨實驗室設備使用程序復雜，導致某些設備的利用率不高。

（4）現有實驗室門鎖、窗簾和燈光都釆用機械銷匙和手動的方式開關，不能進行智能化的遠程控制，對于實驗室的使用情況也不能夠完整記錄。

（5）在實驗室環境監測方面，沒有對環境實時監測功能，對于實驗設備的工作與存放環境不能夠及時檢測或發出預警，從而給實驗室造成毀滅性的損壞。

結合當前實驗室管理所存在的問題，開發一套智能化的實驗室管理系統已經迫在眉睫。隨著物聯網技術智能控制和管理在各個領域的應用逐漸成熟，將物聯網技術應用到實驗室的管理系統中是大勢所趨。物聯網技術為實現高校實驗室的自動化、智能化管理提供強有力的技術支撐。

1 實驗室智能化管理系統的設計

隨著全球信息化的發展，新技術、新學科、新專業不斷涌現。物聯網技術在各個領域的應用深入，國家在信息化“十二五”規劃中，提出了建設“智慧校園”的口號，希望把二十一世紀的大學建設成信息化、智能化的大學。“智慧校園”建設的一個重點就是高校實驗室管理的信息化、智能化。

高校實驗室智能化管理系統的設計目標是取代高校實驗室傳統的管理方式，增加對實驗室環境實時監控和對實驗室的智能控制等功能，讓實驗室的管理智能化，簡化實驗室管理流程，提高實驗室管理的自動化、智能化水平和實驗室的利用率，為實現現代高校的“智慧校園”提供強有力的保障。

該實驗室智能化管理系統采用DCM三層整體技術架構，每層架構都應用最先進的物聯網技術，圍繞“軟件即服務”的思想，在實現效果和設計理念上體現可視化、泛在化、智能化、個性化、一體化的特點。

智能化實驗室管理系統整體架構包括三部分：感知層、網絡傳輸層和系統應用服務層，該系統的整體架構圖1所示。

圖1 實驗室智能化管理系統整體架構

系統結構中各無線節點模塊負責對實驗室的溫濕度、PM2.5和光照等環境參數進行實時采集與監測，并將采集的數據通過物聯網網關網絡傳輸到應用中心的實驗室智能化管理系統，用戶通過物聯網實驗室智能化管理系統提供友好的人機交互界面和數據分析和統計顯示，用戶通過移動端和PC端訪問系統客戶端程序，后臺程序主要負責接收來自客戶端的指令，再由智能化管理系統發送到各個無線節點，系統最終做出智能決策、并實現遠程管理和智能控制的功能。

1.1 門禁管理與考勤模塊設計

門禁管理模塊是實驗室智能化管理的一個非常重要功能，是智能化實驗室管理系統中重要的子模塊。其主要由電源模塊、NFC讀卡模塊、門禁控制器模塊、門禁報警器、電控鎖模塊和出門按鈕模塊六個部分組成，門禁管理模塊的結構如圖2所示。

（1）電源模塊：電源模塊為整個智能門禁無線節點供電，釆用的是3.7V的鋰電池。

（2）RFID讀卡模塊：RFID讀卡模塊采用的是NFC讀卡，NFC是一種近距離無線通訊技術，負責讀取學生校園卡數據。

2.4 多因素Cox回歸分析 以本研究資料為樣本，建立COX比例風險回歸模型。應變量為EOC患者預后(賦值: 1=死亡，0=生存，生存時間t)。自變量為前述2.2和2.3節中P<0.05的各個指標/因素。回歸過程采用后退法，α剔除=0.05。結果：分化程度、FIGO分期、PDCD4表達等3個指標被保留于回歸結果中，相對危險度RR依次為2.527、2.947、2.014。提示分化程度(低)、FIGO分期(Ⅲ～Ⅳ期)、PDCD4(陰性)是EOC預后的獨立危險因素(P<0.05)。見表2。

（3）ZigBee模塊：ZigBee模塊是無線節點的核心，提供控制和通信的功能，本系統中的ZigBee模塊都是釆用CC2530的ZigBee芯片，CC2530不僅能夠提供單片機的控制功能，還具有強大的組網能力，保證了系統無線模塊之間的通信。

（4）繼電器模塊：繼電器模塊負責電控鎖電源的開關控制。

（5）電控鎖模塊：電控鎖主要針對實驗室門的機械開鎖和閉鎖，門禁模塊采用磁力鎖。

（6）出門按鈕模塊：該模塊實現從實驗室內開門的功能。

圖2 物聯網門禁管理模塊的結構

1.2 實驗室環境參數采集模塊設計

實驗室的環境檢測在實驗室智能化管理中必不可少，如實驗室里的溫濕度、PM2.5和光照度等信息檢測有著重要的意義，各類環境參數采集模塊主要包括電源模塊ZigBee模塊和各類傳感器模塊。實驗室環境參數釆集模塊的結構組成如圖3所示。

圖3 環境參數釆集模塊的結構

1.3 實驗室控制模塊設計

窗簾和燈光智能控制模塊的設計原理與門禁模塊基本一致，亦是屬于實驗室智能管理的重要功能。該模塊主要由電源模塊、ZigBee模塊、繼電器模塊和控制電機組成。電機的功能是實現窗簾和燈光的開關與漸變，其他組成功能與智能門禁相同。智能控制模塊的結構組成如圖4所示。

圖4 智能窗簾控制模塊的結構

1.4 系統網關設計

網關是提供兩種網絡通信服務，一是無線節點間的通信服務，即通過ZigBee網絡的Sink節點與處于ZigBee網絡中的無線節點通信；二是無線節點與服務器之間的通信服務，即通過Socket網絡協議與服務器進行通信。在該系統中，物聯網網關釆用TP-Link WR703N路由器和CC2530的ZigBee芯片的組合設計，這樣設計的網關不僅具有協議轉換功能，還具有強大的管理能力和廣泛的接入能力。TPLink WR703N是當前比較流行的一種路由器，再結合 OpenWRT操作系統。OpenWRT是一種基于嵌入式Linux操作系統，既具有高度模塊化、自動化的特性，又擁有強大的網絡以及擴展功能，被廣泛應用于智能家居、智能農業等新興領域。本系統的物聯網網關的結構如圖5所示。

圖5 物聯網網關的結構

2 高校實驗室智能管理系統應用平臺的設計

成都農業科技職業學院物聯網綜合實驗實訓室是成都市教育局重點實驗室建設項目，實驗室建設幾年以來，在實驗室的管理和設備使用方面存在了諸多的問題。結合我院物聯網實驗室的管理的具體情況，基于物聯網技術的實驗室智能化管理系統的系統主要包括以下功能：用戶信息管理、設備信息管理、節點信息管理、環境信息管理、智能控制管理和考勤信息管理、門禁系統管理，實驗室智能化管理系統的組織結構如圖6所示。

（1）用戶信息管理模塊。用戶信息管理模塊不僅方便地管理了實驗室內部人員信息，也記錄了人員的正常流動過程，還為整個智能實驗室管理系統提供了統一用戶信息管理賬號。該模塊包括用戶信息添加、用戶信息的刪除、用戶信息修改模塊和用戶信息查詢等功能。

圖6 基于物聯網的實驗室智能化管理系統的功能

（2）設備信息管理模塊。通過對我院實驗物聯網的實驗室設備管理的需求分析，要求實現對實驗室設備智能化管理。設備的日常管理包括新買設備的錄入、報廢設備的刪除、設備的使用登記以及現有設備的查詢等功能，通過設備上的標簽利用RFID技術實現實驗室設備的日常信息化、智能化管理。

（3）節點信息管理模塊。由于考慮到系統地可擴展性和可持續性，在物聯網實驗室智能化管理系統中增加了無線節點管理模塊，該模塊使系統能夠靈活地對各個無線模塊進行管理，對節點的添加和刪除更加方便，對于開發其他功能模塊的成本大大降低了，同時也提高了開發其他模塊的效率都。

（4）環境信息管理模塊。該模塊對傳感器采集的實驗室內環境數據進行分析與顯示，即有對實驗室內的溫濕度、PM2.5和光照進行詳細分析與顯示以及查詢等功能，為系統的智能控制提供智能決策。

（5）智能控制管理模塊。主要是對實驗室的開門、開關窗簾和開關燈光等進行智能控制操作。

（6）門禁和考勤管理模塊。實驗室教學門禁和考勤管理模塊，根據課表或臨時安排，通過刷卡開啟實驗室大門，在規定時間和規定地點對規定的人群開放；學生刷卡后，系統對使用實驗室的學生自動分配實驗臺或實驗設備，對學生課內外使用實驗室的時間、實驗內容等進行考勤、記錄和統計分析；同時還可以按學籍管理要求，將學生考勤情況自動進行成績、學分等折算；實驗室的課外開放管理，學生可通過網絡預約，在得到批準后在規定的時間通過刷卡進入實驗室，使用指定的實驗臺或設備。

（7）系統信息管理模塊。它是管理信息系統運行的基礎，是對系統操作權限的集中管理，包括定義操作者角色、設定系統用戶、設置功能權限、分配功能權限，系統管理設立統一的安全機制，如設置整個系統運行過程的監控機制、設置數據自動備份、清除系統運行過程中的異常任務等。

3 結語與展望

通過對高校實驗室的管理和使用現狀進行調研和分析，根據實驗室在使用和管理過程中存在的問題，將物聯網技術應用到具體的實驗室管理中，建立了實驗室智能化管理系統的結構模型。結合成都市教育局立項的第一批重點實驗實訓室——成都農業科技職業學院物聯網綜合實驗實訓室項目的具體情況，將實驗室智能化管理系統的結構模型應用到該項目的物聯網實驗室綜合管理系統中。應用結果證明，實驗室智能化管理系統的應用實現了管理信息化，簡化了實驗室管理流程，有效地提高了實驗室的管理效率和設備的利用率，降低了實驗人員的勞動強度，優化了師生的實驗教學環節，加強了實驗過程中的實時監控，進一步實現實驗室管理上的信息化、智能化、自動化。鑒于該實驗室智能化管理系統在物聯網實驗實訓室取得的成效，下一步準備將該系統進行推廣應用，針對學院的農學、畜牧類等實驗室的特點管理進行改進，以及推廣應用到其他高校和科研院所的實驗室管理中。