基于物聯網的實驗室管理系統設計

聶躍光 戶曉玲

摘 要：在高校的教學過程中，實驗教學越來越顯現出其重要性。實驗課時量所占課程的比例在逐年上調，實驗室的規模也在逐年擴大。為了維護實驗室的安全，杜絕實驗用電、用水和火災等安全隱患，使之更好地服務于廣大師生，設計了基于物聯網的實驗室管理系統。該系統采用物聯網技術中主要的嵌入式技術、移動通信技術、無線傳感器技術及數據庫存儲技術等，將實驗室設備管理、實驗室環境監測、實驗教學管理等功能整合于一體，實現了對實驗室不同樓層、不同區域、不同設備進行監測，對相關數據進行識別與采集，并對異常情況進行實時報警。同時，為用戶提供在手持客戶端通過APP預習實驗內容與結果演示。經測試，該系統數據通信精確度較高，響應速度較快，可有效提高實驗室的管理和實驗資源的利用。

關鍵詞：物聯網;實驗室管理;嵌入式;環境監測;系統設計;無線傳感器技術

中圖分類號：TP315文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-04

0 引 言

隨著新工科理念的提出，實驗教學已成為高等院校科學發展、知識創新和人才培養的重要實踐環節，在應用型人才培養的指導下，實踐能力成為一個硬性指標，由此而產生的就是增加實驗課的比例，提高實驗室的有效利用率，增加實驗室建設的投入，以促進學生實踐能力的自我提升。與此相凸顯的是，對實驗室的管理和使用仍然停留在原先的實驗員管理、教師講解和學生課堂操作的老舊模式上。因此，如何科學合理地管理實驗室，讓它能高效地服務高校師生，成為一個亟待解決的問題。對實驗室的管理主要是實驗設備的管理、實驗室的安全管理、實驗教學管理等部分[1]。

傳統的實驗室在設備管理上一直都是實驗室管理員實地管理，定期檢查實驗室的用水、用電等安全隱患，只有少部分的科研院所加入了信息化的輔助，對實驗室內的溫度、濕度、光照和煙霧等進行監測。隨著物聯網技術的飛速發展，借助傳感器實現實驗室環境信息和設備信息的實時采集，可在很大程度上方便實驗設備的有效管理。在實驗教學上，絕大部分高校仍然采用傳統意義上的面授方式，即老師講、學生照做，這種教學形式對學生思考探索和課后復習有一定的不利因素，形不成系統的體系。近年來，隨著網絡技術的發展，遠程視頻教學方式異軍突起[2]，得到了廣泛的應用，遠程教學技術實現了優秀教師、先進教學方法等教學資源的集中利用，滿足了不同層次用戶的多種需求。應用這一理念，在實驗實踐教學中可有效利用高效豐富的實驗設備和實驗資源，應用音視頻教學和操作演示講解實驗教程和實驗，供學生從多方面靈活學習實驗知識，提高實踐能力。

實驗室規模的日益擴大和實驗設備的持續增長，也給實驗室的日常管理帶來了一些新的問題，使用傳統的實驗室管理方式已不能滿足現有的管理要求。將物聯網技術與遠程教育技術相結合，采用信息化方法，研制一套集成度較高的實驗室管理系統，可輔助實驗室管理人員合理高效地管理實驗室設備、靈活地對實驗室環境進行實時監測，同時也為學生學習提供了一種靈活的、更高效的學習形式。

1 研究現狀

最近幾年，我國一些企業和科研機構也開始關注實驗室管理的信息化建設。北京百奧利盟在2012年推出了針對生物研發、醫藥制造和化工企業管理的Bio-LIMSV1.0[3]，該實驗室管理系統在一定程度上實現了生化類實驗室在日常、項目課題、庫存、材料消耗及訂購等的主要功能。除此之外，它還能對實驗室內部的化學試劑庫存量與使用情況做出智能化分配，并對一些特殊的化學試劑設計定制化管理方案。

此外，行業中還出現了一些滿足特定領域需求的實驗室管理系統。2016年，青島帕特智能科技研制了一套實驗室能耗管理控制系統[4]，對實驗室內用電設備的工作情況通過傳感器檢測技術來感知，并進行差別性管理，極大地降低了實驗室用電的損耗。成都晨科軟件研發了一套商用的實驗室管理系統[5]，主要用于教學單位和教學機構的排課管理和收費管理等。

在國外，StarLIMS數年來一直致力于公共衛生和環境監測類實驗室管理及解決方案的研發，在歐洲、北美已經占據了很大的市場份額[6]。

綜上可知，實驗室管理系統的建設已引起了國內外相關行業的高度關注。但是這些系統大多都是針對生化類實驗室的管理監測，綜合程度不高，功能較為單一，且價格昂貴[7]。因此，設計一種通用的、經濟的、集成化程度較高的，用于實驗室的日常管理和環境監測的實驗室管理系統顯得尤為重要。

2 物聯網相關技術及應用

2.1 物聯網概述

物聯網這一概念，我國在1999年提出來的時候叫作傳感網。中科院早在1999年就啟動了傳感網的研究和開發。與其他國家相比，我國的技術研發水平處于世界前列，具有國際同發優勢和重大影響力。2005年11月27日，在突尼斯舉行的信息社會峰會上，國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了物聯網的概念。

物聯網（Internet of Things，IoT）起源于傳媒領域，是信息科技產業的第三次革命。物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網絡等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。簡言之，物聯網就是一種通過信息傳感設備與互聯網連接起來，實現物物相息的智能化識別和管理系統[8]。

與傳統的互聯網絡相比，物聯網還具有其特有的3個特征[9]。

（1）物聯網中，在各個網絡層面應用不同類型的感知技術，例如使用多種無線傳感器技術實時監控和采集不同種類的信息。

（2）目前的“物聯網”，還是在已存的、傳統互聯網基礎上所建立起來的、遍布全球的、以實現物物相息的泛在聚合網絡。物聯網節點與互聯網連接起來，構成了一個復雜的超大規模的網絡，在該種網絡上，物聯網各傳感節點采集的數據，通過互聯網絡實時準確地進行傳輸。物聯網節點所采集到的數據主要是傳感器數據，數據量極為海量，需要使用超大容量的存儲設備和存儲技術對這些數據進行存儲。此外，為了保障物聯網各節點對相應感知數據的準確采集，物聯網還必須具有良好的靈活性、伸縮性和可擴展性，以適應物聯網所處的各類異構協議環境與異構網絡。

（3）由于物聯網本身具有一定的智能協調能力，并提供了與多種類型的移動節點的的無線連接。因此，基于物聯網可以自動識別一切連接到全球網絡中的物品，并對其進行智能控制。還可方便地利用云計算、模式識別、數據挖掘等已有的智能處理技術，對基于物聯網的海量感知數據進行分析、加工、處理和應用。

2.2 物聯網結構

大體而言，物聯網的整體結構可劃分為三層[10]：感知層、網絡層和應用層。

感知層就像是整個物聯網的感覺器官，用于對物品進行感知和識別。該層的主要功能是使用各種類型的感知器對感知區域中的物體進行識別，以及對各類感知的識別與采集。

網絡層是整個物聯網的核心，與人的神經中樞和大腦的功能類似。該層主要是對海量感知數據進行傳輸與處理，主要功能為：數據傳輸、海量信息處理、海量信息存儲以及復雜網絡管理等。

應用層是物聯網中數據處理與用戶需求進行交互的部分。該層主要是對物聯網中各類物品進行智能化管理與識別控制。通過這一層次，實現了物聯網與社會中各行業的深度融合，以及對相應過程的智能化管理與控制。

3 基于物聯網的實驗室管理系統

3.1 目標及因素

實驗室中儀器設備種類繁多，功能部件各不相同，對環境的要求也各不相同，甚至部分儀器設備對環境的要求非常嚴謹。根據這一特點，實驗室的管理工作主要是對實驗設備的管理維護和實驗室環境的監測與控制。此外，實驗活動的開設受到時間和地點的限制，無法滿足學生實驗后續的練習和總結，分批次重復實驗又額外增加了任課教師的工作量。針對這一問題，如果整合優秀的實驗內容和方法等資源，以文檔或者視頻的形式集中存儲在中控服務器上，學生可通過手持終端遠程訪問，可方便進行復習總結和自學思考，也可減輕實驗教師的工作負擔。

3.1.1 設計目標

本實驗室管理系統整體結構如圖1所示。在該系統中，管理員可以通過PC機客戶端或手機端實時監測實驗室信息，實現對管理實驗室設備的有效管理。學生也可以通過終端學習實驗內容、實驗儀器使用說明等教學資源。

結合物聯網的三層體系結構和實際建設需求，對系統進行了層次結構劃分。

感知層主要進行信息的獲取，使用無線傳感網絡對實驗室內的溫濕度、光照度、煙塵濃度等自然信息進行實時監測。可通過掃描設備，快速準確地識別和獲取實驗器材、實驗設備等信息。將采集的信息應用無線傳輸技術傳輸到中控存儲單元。

網絡層主要根據實際需要完成網絡傳輸的設計，為了實現數據快速準確地傳輸到中控單元，需構建嵌入式系統來完成對感知層信息的中轉傳輸。

應用層主要完成數據庫的建立和應用程序的設計，用于存儲感知設備采集到的數據，并對不同數據分別進行加工處理，對不同的應用端做出相應的響應。

3.1.2 考慮因素

感知層實時采集環境信息對帶寬、速率和服務質量（Quality of Services，QoS）[11]的要求不是太高。但是要求網絡整體成本低、傳輸精準和實用性強。因此，系統在設計過程中主要考慮以下要素。

（1）低成本。感知層要實現對環境的感知功能，需要用到大量的微型控制器和傳感器。而物聯網系統本身的節點個數非常多，在每個節點上布置的感知器的總量就會很多，因此，降低單個節點的成本會使系統的總體造價大幅度降低。

（2）高可靠性。系統需要對一些關鍵點處進行實時監測，如設備工作狀態、實驗室溫濕度、煙塵濃度等。要求實時準確地監測環境數據，有異常數據要及時反饋給管理員。高可靠性也從側面反映了物聯網系統的實用價值。

（3）易用性。操作簡單是系統需要重點考慮的問題。系統應從使用者的角度，為解決生產和生活中的實際問題而開展設計。因此，設計應盡可能地做到界面友好，操作簡單。

（4）可擴充性。由于物聯網的應用研究正處于一個不斷發展的研究階段，有很廣的發展前景，因此，在系統設計之初就應該考慮應用的升級和二次開發。

3.2 系統總體設計

按照結構進行層次劃分，基于物聯網的實驗室管理系統可分為三層，每層的主要功能和子功能模塊見表1所列[12]。

應用層 與行業需求結合，實現物聯網的智能應用 中心服務器（數據存儲）;

Web端和手持端應用程序

本系統旨在使用物聯網技術，設計一套能夠用于實驗室環境監測、實驗設備管理、實驗輔助教學等功能的綜合性管理系統。該系統需要實現環境信息感知、實驗設備存儲、無線傳輸、數據中轉、在線學習等功能。將物聯網層次結構理念融合于系統中，進行層次化和模塊化設計，使系統各功能之間具有較高的內聚性和低的耦合度。

3.3 系統具體設計

應用物聯網相關技術對實驗室管理系統進行結構設計，參考物聯網層次結構模型，結合具體應用空間，實現了實驗室環境數據采集、系統集成中控、感知數據存儲、交互應用等功能。實驗室環境數據采集通過感知層功能實現，系統集成中控通過網絡層傳輸協議來保證，感知數據存儲和交互應用通過應用層功能來實現。系統的功能劃分如圖2所示。

3.3.1 數據獲取模塊

數據獲取功能模塊主要用來獲取實驗室內部的環境信息和實驗設備的狀態信息，對實驗室環境數據進行實時采集和對實驗設備的信息錄入，最后將獲取的信息通過網絡協議傳輸到系統集成中控。數據采集過程如圖3所示。

室內環境數據的采集主要應用無線傳感網絡技術和傳感器技術，實時監測實驗室的溫度、濕度、光照、煙霧等數據信息。傳感器作為元器件，必須同微控制器結合使用，才能對環境數據信息[13]進行檢測。系統采用ARM Cortex-M3作為微控制器，無線傳輸采用ZigBee模塊，結合傳感器完成對實驗室環境數據的感知。微控制器的硬件部分由電源、信號放大電路、晶振和無線傳輸模塊轉接串口構成。傳感器采集到的信號經放大器作用，傳輸到微控制器，再經過微控制器的數據轉換，最后通過ZigBee發送到服務器，供應用程序使用和處理。

實驗設備信息編碼按照一定的規則進行，對設備所屬樓號、實驗室號、設備類型和設備序號按順序進行組合，形成統一格式的條形編碼。條形碼編碼具體規則見表2，借助條形碼生成工具可生成打印條碼。通過使用USB掃描槍掃描條形碼或者手動輸入編碼信息來錄入或查看實驗設備的信息。

3.3.2 集成中控部分

集成中控部分在整個系統中起到數據中轉傳輸的作用，完成數據信息的存儲和轉發，是物聯網系統中網絡層功能的具體體現。感知器接收到監測數據和設備數據之后，使用標準的網絡協議將數據發送到服務中控端。考慮到系統以后的升級與功能擴充，在集成中控的硬件結構中預留了足夠的接口，供系統未來擴展使用。存儲單元結構如圖4所示。

無線監測模塊使用ZigBee協議標準將環境感知信息傳遞到中控單元，ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站，通信距離從標準的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展[14]。它基于IEEE 802.15.4標準，具有高可靠、高性價比、低功耗等特點。

集成中控系統的設計需要構建嵌入式系統，包括嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分。嵌入式硬件部分選用集成開發板，主要包括核心處理器以及其外圍電路的設計。本系統選擇ARMV5TE 體系結構的ARM9作為系統的核心處理器。嵌入式軟件設計中需要構建嵌入式操作系統，基于該操作系統設計應用程序，主要是基于Linux系統并搭建交叉編譯環境arm-linux-gcc。在該環境下對輸入的環境信息進行處理，輸出數據經由ZigBee無線網絡傳輸。

3.3.3 存儲應用部分

存儲應用部分要完成兩方面的工作，即：解析中控單元傳輸過來的數據并保存到數據庫;錄入實驗課程所需的各類教學資源并供訪問者訪問。系統使用SQL Server數據庫對數據進行存儲與管理。考慮到實際應用，在設計數據庫時，要為各監測數據設定閾值，當某一數值超過閾值，就要產生報警信息，給管理員提示。同時，還要設定用戶分類信息，分別為不同用戶設置不同操作訪問權限。

應用部分實現用戶和系統的交互，按照不同的應用需要，將環境監測數據和實驗資源分別呈現給不同用戶。應用功能包括手機端應用和PC端應用，可供用戶通過終端實時查看信息。應用部分主要實現環境監測、設備管理、實驗教學等功能。如圖5所示為系統應用部分的功能框圖。

Web端應用程序和手機端應用程序均包含環境監測、設備管理、學習資源、在線課堂四個功能應用。環境監測主要是向管理員顯示監測到的實驗室環境信息;設備管理可方便管理員和教師查看實驗設備信息;學習資源向老師和學生提供實驗教學文檔和視頻等教學資源;在線課堂供老師和學生交流探討實驗相關技術、心得體會以及提問。

4 結 語

應用物聯網相關技術設計實驗室管理系統，使得實驗室的管理能夠將環境監測、設備管理、實驗教學結合于一體。管理員、教師和學生都可以通過無線和有線方式隨時隨地地查看實驗室情況和學習資源，極大地方便了管理員對實驗室的管控，也增添了學生學習的主動性和靈活性。經測試，系統傳輸速度快、準確度高，能實時響應用戶的各種需求，極大地提高了實驗室管理的效率，增強了學生實踐能力和思維能力。

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