物聯(lián)網(wǎng)架構下的高校實驗室信息化管理關鍵技術研究

張睿

(浙江大學醫(yī)學院 附屬口腔醫(yī)院， 杭州 310006)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是隨著現(xiàn)代信息化產業(yè)發(fā)展而誕生的產物[1]，物聯(lián)網(wǎng)的興起有著必然性[2]，并且伴隨著射頻識別技術、微電子技術、傳感器技術、通信技術的技術進步而達到了快速的發(fā)展[3]。在高校實驗室里，信息化的管理已經(jīng)有著十分強烈的需求，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的逐漸成熟，將其運用到實驗室信息化管理的事務中去，實現(xiàn)對實驗室內設備、環(huán)境等自動化和智能化的管理，取代原先的基于人工的管理模式，避免人工產生的錯誤，減少實驗室中繁重、復雜的工作量，使實驗室的管理趨于高效化、科學化，并且在環(huán)境要求較高的實驗室中，空氣的溫度、濕度和污染物顆粒度都是需要監(jiān)控的，并且將各種信息進行匯總到數(shù)據(jù)庫中，再通過傳感器系統(tǒng)對整個實驗室實現(xiàn)實時的控制，記錄實驗室中設備的數(shù)量和人員的考勤記錄，達到適應教育改革背景下高校實驗室快速擴大后的網(wǎng)絡化管理。物聯(lián)網(wǎng)技術包含很多技術，其中的關鍵技術是射頻識別技術、無線通信技術和傳感器技術[4]。對于這些技術的研究能夠促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展

2 物聯(lián)網(wǎng)技術

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指基于計算機互聯(lián)網(wǎng)技術，利用傳感器、射頻識別、GPS定位與紅外感應等將物與物、物與人聯(lián)系在一起，即萬物互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)的三個層次，從上到下依次就是應用層、網(wǎng)絡層和感知層，如圖2所示。

物聯(lián)網(wǎng)需要具有對自然模擬信號的數(shù)據(jù)收集和采集的能力，對數(shù)據(jù)有分析和處理的能力以及有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線技術。應用層上針對不同領域，尤其各自的適用場景，例如智能家居、遠程醫(yī)療等；在網(wǎng)絡層是基于互聯(lián)網(wǎng)和信息管理中心進行數(shù)據(jù)交互，感知層就是各種傳感器對物體標記電子標簽，記錄物體的屬性。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)體系結構圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

目前常用的技術包含射頻識別技術、無線通信技術和傳感器技術。射頻識別技術是最重要的關鍵技術[5]，整個射頻識別技術包括電子標簽、讀寫器等，射頻識別是非接觸的識別技術[6]，讀寫器可以讀取每個物體屬性的電子標簽，查看物體當前的狀態(tài)，并且接受主機的指令，對物體進行控制操作，而電子標簽都附著在物體表面，物體的唯一標識就是電子標簽，電子標簽嵌入微型的電子芯片，內置小天線，存儲物體的信息,如表1所示。

表1 常見電子標簽封裝應用

由于電子標簽和管理系統(tǒng)的接口不一致，需要射頻識別中間件進行處理，作為二者的媒介，對于數(shù)據(jù)流和特征流的管理尤為重要，它的功能實現(xiàn)就是為了完成數(shù)據(jù)邏輯的存儲與轉發(fā)，而這些都是具有通用的標準規(guī)則。讀寫器的發(fā)展趨勢就是嵌入化、模塊化以及輕巧，便于攜帶，并且逐步豐富功能,如表2所示。

表2 常見RFID讀寫器的分類

無線通信技術所實現(xiàn)的功能就是“管道”的作用，依據(jù)信號覆蓋的范圍，可以分成遠距和近距兩種方式，遠距離的通信包含移動通信、衛(wèi)星通信等。近距離通信技術包括WIFI、Zigbee、RFID等技術，由于網(wǎng)絡結構穩(wěn)定，可以根據(jù)環(huán)境的干擾，實時的進行帶寬的自動調整。這些短距離通信技術在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中獲得大范圍的使用，節(jié)省了人力的成本。其中ZigBee技術是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最常用的近距通信技術，其技術特點是傳輸快，傳輸數(shù)據(jù)的容量大，效率高以及傳輸延時較短。ZigBee完成的是基于服務訪問點的層與層之間的通信，訪問點的設置是基于用戶的層結構信息流的過程。它常見的4種原語如表3所示。

傳感器技術是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運用的入口，分析的數(shù)據(jù)都由各種各樣的傳感器收集而來，傳感器的靈敏性是其最主要的特征[7]，在使用傳感器之前需要對傳感器的穩(wěn)定性和動態(tài)性測試下，防止傳感器的性能下降，影響正常的使用[8]，在實驗室環(huán)境下，溫度、濕度、氣體、加速傳感器等都是必備的。在使用期，要經(jīng)常對其進行維護，避免強酸、強堿、腐蝕等情況，保證數(shù)據(jù)采集過程中的不間斷獲取信息。

表3 四種基本原語

3 系統(tǒng)需求分析

3.1 系統(tǒng)業(yè)務目標

系統(tǒng)實現(xiàn)的業(yè)務目標包括人員、設備、實驗室及其各類通信終端的互聯(lián)溝通。取代過去人工登記進出實驗室的過程，采取針對學生一卡通的刷卡式身份識別，并且利用考勤信息管理平臺收集簽到信息，對人員進行考核。同時采用物聯(lián)網(wǎng)技術，針對實驗室的氣體、濕度、溫度和光照等信息實時監(jiān)控，避免濕度過大使設備生了銹，同時對高校實驗室的空調、燈光、窗簾、門禁進行遠程控制，并對管理信息中心的界面進行設計，完后對各種信息的查看、統(tǒng)計和指令下發(fā)。在軟件開發(fā)方面，在eclipse平臺上，編寫Java語言，實現(xiàn)業(yè)務功能，數(shù)據(jù)庫采用Mysql，通過物聯(lián)網(wǎng)和編程技術實現(xiàn)總體目標。電子標簽的存儲量大，可以完全取代現(xiàn)有設備的紙質標簽，紙質標簽只有設備名、使用期限等很少的信息。電子標簽則充分體現(xiàn)智能化，集成更多的使用方法和信息。通過集成這些信息，可以讓高校領導掌握實驗室的總體情況，降低實驗室維護的總體成本。而且在實驗室布置無死角的攝像頭，對實驗室無遺漏地監(jiān)控，同時對于各個設備提供警報提示，保障安防以致減少經(jīng)濟的意外損失。

3.2 系統(tǒng)具體需求

在針對高校實驗室的儀器管理上的需求，具體到儀器從入庫管理、使用調撥、設備管理與設備清點整個過程，人機界面設置不同的用戶級別實現(xiàn)智能化的操作，用戶的權限分為教師、學生與管理員，通過讀取傳感器發(fā)送過來經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)融合射頻識別的技術實現(xiàn)不同儀器的申請使用,如圖3所示。

圖3 實驗室管理系統(tǒng)主要實體E-R關系圖

對實驗室儀器設備的管理通過上層應用層通過網(wǎng)絡層互聯(lián)實現(xiàn)[9]，條用底層的感知層，采用數(shù)據(jù)庫的分析處理能力，將設備以報表的格式呈現(xiàn)，并與高校的教務處網(wǎng)對接。對儀器的處理操作包括添加、維護、調派、回收、報廢和清點。每次借用都進行使用次數(shù)的標定，完成初始化數(shù)據(jù)，以便在年度匯總時，對整體使用情況和耗損情況作出評價,如圖4所示。

圖4 儀器設備管理功能模塊圖

4 系統(tǒng)整體實現(xiàn)與測試

該系統(tǒng)分為四個部分，分別是瀏覽器、服務器部分，數(shù)據(jù)庫部分，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。包含的物聯(lián)接入節(jié)點以及控制模塊。利用瀏覽器訪問服務器，服務器將控制命令轉給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關將所有指令進行梳理與分發(fā)，對應指定的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，進行控制。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內部，3個層次分別實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系架構圖

用戶管理模塊的實現(xiàn)是在進入到整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之前用戶根據(jù)自己的身份進行登錄，經(jīng)過身份驗證后，登錄到用戶界面，本系統(tǒng)的用戶級別分為四個等級。管理員、教師、學生、游客。

接下來是RFID的工作流程，首先打開串口設備，對其進行初始化，然后傳感器去識別物體上的電子標簽是否存在，然后登陸物體上的信息，對電子標簽選中后，激活電子標簽，通過閱讀器查閱標簽，對其密碼認證后，讀寫電子標簽的狀態(tài)信息。

將獲取到的信息與管理系統(tǒng)進行交換，以門禁管理為例，通過實驗室的門外NFC模塊，識別學生或教師的校園一卡通，Zigbee將識別后的信息傳遞給認證模塊，系統(tǒng)確認后，再將信息發(fā)給門禁的繼電器電路，然后負責電子鎖的開啟與關閉，電源電路為整體門禁模塊供電。其流程圖如圖6-圖7所示。

圖6 刷卡開門處理流程圖

圖7 遠程開門業(yè)務處理流程圖

智能燈光模塊設計的組成部分與智能門禁模塊基本相同，其結構圖如圖8所示。

圖8 遠程開門業(yè)務處理流程圖

濕度與溫度的實時監(jiān)測是實驗室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分[10]，通過濕度傳感器和溫度傳感器采集溫濕度，然后通過Zigbee傳輸?shù)叫畔⒅行模瑐鬟f到數(shù)據(jù)庫中，隨時被人訪問。其實現(xiàn)的結構圖如圖9所示。

圖9 溫濕度監(jiān)測業(yè)務處理流程圖

由于中國這些年到冬季左右，霧霾天氣泛濫，對于實時監(jiān)控實驗室PM2.5的指數(shù)是十分必要的。通過采集到的PM2.5的數(shù)據(jù)，控制空氣凈化器的開關[11]，使實驗室的環(huán)境質量達到良好以上，其實現(xiàn)的結構圖如圖10所示。

圖10 PM2.5監(jiān)測業(yè)務處理流程圖

以上針對各個模塊的實現(xiàn)后，需要管理網(wǎng)站模塊對各個設備和物聯(lián)網(wǎng)終端進行刪、增處理，網(wǎng)站的功能組織架構如圖11所示。

圖11 物聯(lián)實驗室管理網(wǎng)站功能組織圖

具體的實驗室信息列表的后臺管理的代碼如下：

public String lablist() {

HttpServletRequest request = ServletActionContext.getRequest();

String bianhao = request.getParameter("bianhao");

String fuzeren = request.getParameter("fuzeren");

StringBuffer sb = new StringBuffer();

sb.append(" where ");

if (bianhao != null && !"".equals(bianhao)) {

sb.append("bianhao like '%" + bianhao + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("bianhao", bianhao);

}

if (fuzeren != null && !"".equals(fuzeren)) {

sb.append("fuzeren like '%" + fuzeren + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("fuzeren", fuzeren);

}

sb.append(" deletestatus=0 order by id desc ");

String where = sb.toString();

int currentpage = 1;

int pagesize = 10;

if (request.getParameter("pagenum") != null) {

currentpage = Integer.parseInt(request.getParameter("pagenum"));

}

int total = labDao.selectBeanCount(where.replaceAll("order by id desc", ""));

request.setAttribute("list", labDao.selectBeanList((currentpage - 1)

* pagesize, pagesize, where));

request.setAttribute("pagerinfo", Pager.getPagerNormal(total, pagesize,

currentpage, "method! Lablist", "共有" + total + "條記錄"));

request.setAttribute("url", "method! Lablist");

request.setAttribute("url2", "method! Lab");

request.setAttribute("title", "實驗室信息管理");

this.setUrl("lab/lablist.jsp");

return SUCCESS;

}

5 總結

實驗室是高校科研發(fā)展的重要地點，實驗室的建設和維護，影響到學生能否高效地利用實驗室，開發(fā)新的技術或者新的創(chuàng)新點。在信息化時代，本文構建了基于物聯(lián)網(wǎng)框架下的實驗室管理系統(tǒng)，著重闡述了其中的三大關鍵技術，射頻

識別技術、傳感器技術以及無線通信技術，通過實驗室中經(jīng)常使用到的場景，實現(xiàn)了幾個模塊的設計，在深度調研后確定模塊中的電路實現(xiàn)與組成。分析與實現(xiàn)了基于JAVA的后臺管理系統(tǒng)，實時操作各個單元模塊，保證獨立的正常運行。在開發(fā)代碼中，沒有考慮重構，這是后面需要進一步改進的方面。