基于NB-IoT 的高校實驗室資產管理系統

蕭英杰，謝建輝，陳利

（廣東技術師范大學計算機科學學院，廣州510665）

1 研究背景

隨著信息技術的發展，信息技術被應用于各大行業中。然而，高校實驗室資產管理仍處于半自動化階段，一定程度上降低了實驗室資產使用和保管的效率，已經不能滿足高校對教育信息化管理的要求。自《教育信息化2011-2020 十年規劃》頒布以來，教育信息化已被納入國家信息化的整體戰略中，并與中央網絡安全和信息化領導小組和國務院有關“互聯網+”、大數據、云計算、智慧城市、信息惠民、寬帶中國、農村扶貧開發等重大戰略緊密相連?！笆濉逼陂g“建成人人可享有優質教育資源的信息化學習環境”和“基本實現所有地區和各級各類學校寬帶網絡的全面覆蓋”的政策在《教育信息化“十三五”規劃》中得到延續，并進一步確立以“構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，建設‘人人皆學、處處能學、時時可學’的學習型社會，培養大批創新人才”為發展方向。教育信息化將長期享受政策利好的環境，互聯網信息技術和教育教學需求的深度融合的路徑已逐步清晰。

在實驗室資產的管理上，信息技術的使用還有所欠缺，信息化不夠全面，最主要表現為兩個方面：一是信息化涵蓋面不夠廣泛和全面，二是信息化網絡不夠通暢。

信息化涵蓋不夠全面廣泛主要是由于實驗室資產管理的程序比較復雜，有很多的環節，而學校的工作人員使用信息化系統來處理資產管理工作主要是在登記、使用和處置環節，在其他環節則使用了人工或者其他比較緩慢的方式，而且，對于絕大多數高校來說，它們的信息化水平是相對比較低的，并沒有專業并且統一的資產信息化管理系統，所以沒有辦法做到信息化全面覆蓋，大大地增加了實驗室資產的管理難度。

信息化網絡不夠通暢主要是很多學校領導習慣于紙質信息的審批而不是使用網絡信息的方式，所以很多高校就直接放棄了信息化的資產管理方式。種種這些問題讓信息化管理的優點不能夠凸顯，同時很多高校也不能體現實驗室資產管理中的績效管理和收益管理等方面的信息，對于實驗室資產的管理不夠全面。

針對以上主要問題，我們進行了調研和探討，并且開發出了更智能的系統。

2 國內外研究現狀

2.1 資產管理系統

國外高校的資產管理系統大多為本校研發，適合本校的實際情況，從資產的購買以及分配管理到最終的報廢有完整的動態管理體系。如University of Cen?tral Florida、Studio Cambridge 等都有自己的一套符合實情的資產管理系統。

我國資產管理系統設計開發比較晚，但對于資產管理的探究從未停止。在80 年代初，我國高校的資產管理主要以人工為主，靠紙質登記和人工管理。這對一個資產設備極多、數量龐大的高校來說明顯是不可行的，查詢起來勢必很慢。在1996 年由武漢大學在基于DOS 環境下編寫出的資產管理軟件，對整體的查詢有了很大的改進。但是畢竟DOS 環境單一，對出入庫等進行登記也不是很好的選擇。所以要求更高性能的資產管理軟件的面世。到1998 年，北京化工大學以Visual FoxPro 編寫，在Windows 環境下開發出資產管理系統。直到2003 年山西大學率先在國內實行資產條形碼管理。2016 年，根據教育部統計[1]，全國固定資產已經全面增加42.15%左右，其中教學和科研儀器等方面更是增幅超過60.22%。意味我國高校資產管理急需一套新的資產管理系統。

目前我國的校園資產管理探究越來越強烈。有以校園網的高校固定資產管理系統[2]，該系統借助校園網溝通、協調校內各部門和資產管理人員從而科學和規范化實現固定資產的管理。有運用工作流技術去設計資產管理系統的[3]，該探究主要是利用工作流的特點——以流程化的思想實現業務處理的自動化或半自動化，并實時監控流程執行的狀態，達到提高效率的目的。

2.2 NB-IoT技術

在海外，NB-IoT 技術同樣保持高速發展。例如，泰國的摩托車監控、挪威的羊聯網、韓國的氣表、西班牙的智慧門鎖以及德國的智能停車，NB-IoT 技術都已實現規模商用。此外，NB-IoT 智能跟蹤器、健康監測、智能家居等2C（消費者）領域都實現高速發展。不論是NB-IoT 的技術演進連續性，還是全球運營商NBIoT 網絡建設，或是NB-IoT 在垂直行業的應用，NBIoT 都已經在物聯網技術競爭中取得優勢。

我國的NB-IoT 技術成熟、成本低，NB-IoT 標準凍結早、產業鏈趨于成熟，與垂直行業的結合滲透很完善；其次，NB-IoT 建網成本低，NB-IoT 構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網絡、UMTS 網絡或LTE 網絡，以降低部署成本、實現平滑升級；最后，NB-IoT 信號增益更大，覆蓋效果好。近日3GPP 正式向ITU-R（國際電信聯盟無線電通信部門）提交5G 候選技術標準提案。其中，低功耗廣域物聯網技術NB-IoT 被正式納入5G 候選技術集合[4]，作為5G 的組成部分與NR（New Radio）聯合提交至ITUR。中國三大運營商在智能水表、智能氣表、電動車追蹤、煙感探測器、白色家電五大場景中積極布局，NBIoT 技術應用取得飛速發展。NB-IoT 應用遍地開花，連接數將達1 億[5]。

3 系統設計

隨著高校建設的步伐加快，對高校實驗室進一步智能化和信息化的建設需求也逐步加大[6]，尤其是實驗室資產及其管理模式部分，因而針對這方面的研究成為了一件非常有意義的事情。為了解決資產重復購置、資產閑置等資產管理的常見問題，本系統將窄帶物聯網（NB-IoT）技術與樹莓派相結合，充分發揮樹莓派及攝像頭的強大感知能力，再經NB-IoT 開發板的通信模塊的高效便捷傳輸，在微信小程序端和桌面客戶端獲取數據并處理，并渲染一系列功能到用戶界面[7]，在實現數據可視化的同時，也提供了對資產進行入庫、出庫、盤點等操作的功能，從而實現高效管理實驗室資產的目的。

4 硬件設計

4.1 硬件模塊搭建

此系統所需的硬件設備主要有：樹莓派、Rpi IRCUT 攝像頭、NB-IoT 模塊、二維碼打印機。NB-IoT 模塊通過樹莓派GPIO 引腳口相連，Rpi IR-CUT 攝像頭通過15PIN FFC（異向）線與樹莓派相連[8]，具體架構如圖1 所示。

圖1 硬件架構圖

4.2 硬件功能實現

（1）樹莓派攝像頭模塊實現

通過樹莓派攝像頭實現的功能主要側重于對實驗室資產所具有的由特定的打印機生成的二維碼進行拍照掃描，將采集的圖像進行灰度處理，根據RGB 三通道的數值進行加權計算，最終得到灰度圖。通過OpenCV[9]識別灰度圖的內容，得到資產信息，再交于后端進行相關處理，進而使前端信息實時更新。感知層識別的灰度圖如圖2 所示。

圖2 感知層識別的灰度圖

樹莓派攝像頭功能實現的部分核心代碼如下：

（2）NB-IoT 模塊實現

NB-IoT 設備SIM7000C 通過MQTT 協議（消息隊列遙測傳輸）接入IoT 云平臺。將NB 終端上報的數據發送到IoT 云平臺進行處理，由IoT 云平臺匯集NB 終端上傳的所有數據。其在傳輸層架構中的位置如圖3所示。

圖3 基于NB-IoT設備的傳輸架構示意圖

使用pyserial 進行串口通信，控制NB-IoT 模塊上報數據，其實現的部分核心代碼如下：

5 軟件設計

基于NB-IoT 的高校實驗室資產管理系統主要由三部分組成[10]，第一部分為樹莓派終端的資產出入庫的控制程序，第二部分為阿里云云平臺和云數據庫，第三部分為小程序端的資產信息管理。樹莓派終端和小程序共同連接到阿里云云平臺和數據庫，共同實現對資產的管理。

5.1 樹莓派終端軟件設計

程序開始執行后，控制NB-IoT 模塊連接云平臺，只有連接云平臺之后才可以執行入庫、出庫、盤點、查詢的操作。當使用入庫或出庫功能時，此時開啟一個子線程，開啟攝像頭，永久等待監聽攝像頭獲取的信息，直至獲取到資產標簽信息。獲取信息后，彈出窗口，填寫入庫信息或出庫信息，主程序將獲取到的信息封裝成JSON 格式的字符串，通過串口控制NB-IoT 模塊向云平臺上報數據，從而實現對資產的入庫和出庫管理。

樹莓派終端的軟件流程如圖4 所示。

5.2 阿里云云平臺端

阿里云云平臺作為一個完美的中介，對樹莓派傳來的不同的資產信息進行判別、歸類、處理、保存，又實時地與小程序端進行鏈接，形成了一個高效傳輸的數據鏈路。

NB-IoT 上報后的數據及云端處理的流程如圖5所示，云端收集到的數據如圖6 所示。

圖4 樹莓派終端的軟件流程圖

圖5 數據及云端處理圖

圖6 云平臺收集數據示意圖

上報的數據為JSON 格式的字符串，在云平臺經過規則引擎的處理后，將符合規則的數據保存至阿里云數據庫RDS 中，同時執行數據庫的觸發器，根據上報的數據更新資產信息。

5.3 小程序端軟件設計

利用node 中的mysqld 模塊與小程序云開發調試功能，微信小程序連接阿里云云數據庫RDS，獲取通過樹莓派保存在阿里云云數據庫RDS 的信息，再將資產數據保存在小程序云數據庫中，借用云開發技術以及用Java 搭建的后臺進行數據的分析、處理與渲染，最終實現設備的入庫、出庫、設備查詢、轉移、申請等功能。小程序的主要界面如圖7 與圖8 所示。

圖7 小程序的管理頁面與普通頁面

整體的框架圖，如圖9 所示。

圖8 庫存設備界面

圖9 軟件整體架構圖

小程序端獲取設備的相關功能的部分核心代碼如下所示：

6 結語

經過實踐，本系統的設計通過樹莓派終端、PC 端、手機端對高校實驗室資產進行有效的監控，對零散和閑置的資產設備進行了妥善的管理，對高校實驗室資產管理有一定的幫助性，使得高校實驗室設備不僅局限于服務教學，而且通過建立一套管理妥善的系統，更充分地發揮了實驗室資產所擁有的價值。