基于云服務的科研儀器共享平臺的研究與設計

宗曉祥 張睿 馬利亞

（寧夏醫科大學總醫院 寧夏回族自治區興慶區 750004）

1 研究背景及目標

大型設備是高校及其他科研單位實驗室的關鍵技術配置，它不但是高校從事教學、人才培養、科研活動的物質基礎和基本條件，也是教學和科研能力的重要標識。隨著我國對教育事業發展的重視度提高，為提高教育質量和科研水平，各高校的儀器數量、種類和質量都有了大幅度的增長和提升；不但為教學和科研創造了快速發展的條件，還為學科發展、教學質量和科研水平的提高奠定了良好的基礎。隨著高校教育質量和科研水平的快速發展，科研人員對高質量分析儀器的依賴性越來越強，但是與此相悖的是大型科研儀器設備資源利用率低、儀器重復購買和各地區及科研單位之間的儀器資源分布難以平衡的現象日益凸現。目前，制約各高校發展的瓶頸不在是大型儀器和專項儀器的缺乏，而是設備信息的共享不暢，導致儀器長期閑置、利用率低下與需求旺盛的矛盾激化。因此解決這種不平衡的有效途徑是積極推進貴重儀器設備資源共享，提高設備效益。

儀器共享雖然可以提高儀器使用率減少重復購買，但使用儀器的群體變得更加復雜給實驗室和儀器的安全帶來了隱患，提高了管理的難度和成本。以往高校和科研機構實驗室在管理中出現如下幾個難點：

（1）儀器信息共享渠道單一且落后：無儀器共享系統的實驗室，儀器使用者預約靠書面申請，經常出現信息變更沒有及時溝通導致儀器重復預約；科研人員沒有有效的途徑了解儀器的信息，經常無法確認預約儀器的狀態信息、位置信息、使用方法和功能介紹。然而有共享系統的實驗室共享范圍僅限于自己單位，沒有區域之間及單位之間資源整合的概念，這些機構大多為IC卡鑒權，這種方式并不便捷還大大的提高了管理成本。

（2）儀器管理成本高且方式落后：很多儀器放置分散，缺少人機對話能力，需要投入較多人力進行手工管理，管理人員工作效率低，工作量大。

（3）儀器管理機制不清晰且思想落后：由于沒有相應管理工具的支持，使用者在沒有任何監管的情況下隨意使用儀器，導致儀器的壞損和丟失無從查證；儀器預約和收費的手續繁瑣，統計難度大，數據準確性不高。

因此構建新型的儀器共享平臺不但要解決了儀器資源分配、儀器信息管理、儀器預約和用戶身份鑒權等問題，更要解決了區域及機構之間的儀器資源整合、鑒權介質造價高、流程繁瑣和儀器重復購買等問題，有效的分攤儀器購買成本，解決用戶經費與儀器造價的矛盾。本文主要研究儀器設備授權管的核心，探索儀器設備共享管理新機制，建設或優化信息服務平臺，提出儀器設備共享云服務的方案，為儀器共享的新思路提供技術支持。

2 科研儀器共享平臺總體設計

以我國當前儀器共享的問題為出發點，將云平臺、4G網絡及二維碼技術綜合應用在儀器共享的模式和方法中，將設備共享管理平臺的服務建立在公有云中，利用當今速度快、普及度廣以及價格便宜的4G網絡和云平臺進行通信。將平臺的應用軟件和服務部署在云平臺的服務器上，采用saas云服務模式為各成員單位提供服務，用戶可以通過WEB端或手機端進行訪問，使用時即無需在本地的設備上安裝客戶端也無需搭建或維護任何科研儀器共享平臺的基礎設施，由云平臺統一管理，具體平臺框架設計如圖1所示。

圖1：平臺框架設計

圖2：WEB端整體模塊設計

圖3：微信端整體模塊設計

利用信息技術將云端分為四部分進行設計：設備共享管理系統、視頻監控系統、二維碼電源控制系統和二維碼門禁控制系統。設備共享管理系統主要負責儀器的管理和預約業務；視頻監控系統負責對儀器和實驗室的監控業務；二維碼電源控制系統負責儀器的上下機控制；二維碼門禁控制系統負責實驗室的進入管理。本文只詳細分析、研究和設計設備共享管理系統和二維碼電源控制系統。

2.1 設備共享管理系統

設備共享管理系統的WEB端采用B/S結構體系來設計。B/S這種層次性系統分為客戶顯示、業務邏輯層和數據訪問層三層，使每層結構清晰、分工明確和層次分明，有利于業務開發和維護。在系統設計中要求用戶必須通過手機微信端預約和登記要使用的儀器，所以科研儀器共享系統前端頁面采用Html5來設計實現。管理員登陸本系統后，系統列出可供使用的功能模塊主要有三部分：主頁、個人中心和后臺管理；其中后臺管理又包括五大模塊：用戶管理、設備管理、公告管理、預約管理、實驗室管理，具體如圖2。

設備共享管理系統的微信端基于微信公眾平臺開發，它為用戶提供服務的基礎主要是公眾平臺開發接口，依據公眾號內網頁和公眾號消息會話來向廣大的使用用戶提供服務。本次設計主要利用微信API接口方法和WeUI基礎樣式庫。用戶登陸本系統后，系統列出可供使用的功能模塊主要有：個人中心、預約和登記。使用者可以按需要隨時隨地利用4G網絡查詢個人的基本信息、設備詳細信息、實驗室詳細信息、個人使用記錄和個人預約記錄；可以修改個人信息并進行預約設備和登記設備，具體如圖3。

2.2 二維碼電源控制系統

二維碼電源控制器系統為電源授權控制終端的嵌入式系統，運行在基于ARM 32位Contex架構的電源控制器上，利用RJ45/Wi-Fi網絡接口與服務器通信，負責控制電源控制器的各部件；通過控制繼電器的開關控制220V交流電輸出，完成設備電源的開關控制，確保只有擁有合法授權的用戶能夠使用設備；二維碼電源控制器可以記錄儀器使用的起止時間并自動將使用記錄等信息通過網絡發送到服務器。為了簡化預約流程，利用二維碼代替IC卡鑒權。上機登記成功的用戶會收到云服務器返回的開機二維碼，用控制器掃描該二維進行鑒權，成功后儀器電源打開并上傳開機狀態。用戶下機登記成功后控制器自動切斷儀器電源并生成使用二維碼，通過微信端掃描支付并上傳使用記錄。

由于用戶使用設備的鑒權依賴于uRealtime授權服務器，如果服務器當機或者網絡不正常將影響到用戶對設備的使用。因此對此異常情況設計解決方案：

（1）在控制器本地存儲相關用戶授權信息：當請求服務器鑒權失敗三次后，將在本地授權信息中查找，如果找到就打開或關閉電源。

（2）提供使用記錄本地存儲功能：為避免和服務器通信失敗導致使用記錄的丟失，通信正常時再上傳服務器。

針對異常情況的方案設計將相關數據保存到電源控制器的Flash上，由于Flash有寫次數限制，寫頻繁的數據需要設計成動態存儲，而不是反復在一個固定位置寫數據。Flash保存數據塊的格式類似這樣，通過mask和crc標識和驗證數據。

通過上述整體設計的內容，我們將二維碼控制器系統分為：pscController、pcComm、reader、Store、SystemStatus和Indicator六個程序模塊來設計。其中pscController是控制器主模塊，負責整個控制器的初始化和運行調度；pcComm是網絡接口模塊，負責和上位機通訊，包括通信部件（TCP/IP）的初始化、UDP偵聽、UDP發送、記錄發送、狀態發送、數據包解包和封裝等；Reader是二維碼數據接口模塊，負責和掃碼攝像頭通訊。 Store是存儲接口模塊，負責數據的本地存儲，包括Flash讀寫、數據塊的劃分、系統狀態信息讀寫、記錄信息讀寫和二維碼信息讀寫等，根據數據的讀寫頻率和重要性采用校驗、雙備份和動態存儲等方法保證數據安全；SystemStatus是負責系統狀態維護的模塊；Indicator是負責系統狀態外部呈現的模塊，具體流程如圖4所示。

2.2.1 上機設計

用戶上機設計是該平臺的核心部分，為了保證系統鑒權的安全性必須加入相應的加密解密授權。服務器與控制器通過非對稱加密解密授權，服務器生成密鑰并保管私鑰，公鑰由控制器保管。服務器用私鑰加密開機信息生成二維碼，控制器掃描二維碼時使用公鑰對其信息解密。生成的二維碼包含的開機信息主要包括：當前開機者信息、下一個預約者的信息、管理員聯系方式和時間戳。其中時間戳是二維碼生成的時間，用于控制器計算該二維碼生成時間離當前時間是否在10分鐘內，如果不是則提示“二維碼失效”。控制器授權開機后液晶屏幕上顯示當前開機者姓名、聯系電話、預約時間、開機時間、已使用時長。

2.2.2 下機設計

圖4：二維碼控制器流程設計圖

設備使用結束后如何關閉儀器并進行結算很關鍵，通過對二維碼的利用，用戶點擊下機登記時切斷儀器電源并生成使用記錄二維碼顯示在液晶屏幕上，使用記錄二維碼包含最近20條使用記錄，每條使用記錄包含登記使用記錄服務URLL、用戶電話、使用時間、儀器編碼、使用記錄編碼和驗證碼等信息。其中驗證碼是控制器生成使用記錄二維碼時，通過一定的順序排列的使用記錄信息和儀器密鑰。

2.3 視頻監控系統

通過360度攝像頭監控儀器的使用情況，防止因操作不當導致儀器損壞，并進行影像留存，隨時查看，管理員可以在實驗室通過監控大屏隨時監控不同實驗室不同位置不同角落的情況，系統將監控到的視頻自動匹配給相應的設備，方便統計和追溯。

2.4 二維碼門禁控制系統

實驗室大門設置門禁系統，可以有效的保證實驗室的安全。用戶掃描門禁二維碼時會收到云服務器返回的開門二維碼，用控制器掃描該二維進行鑒權，成功后門禁被打開并上傳開門狀態和時間。這樣不但可以保證進入實驗室的人員都是被授權的用戶，還可以準確的記錄實驗室進出用戶信息和時間，為無需預約的儀器記錄使用時長。

3 優勢及結論

通過研究對本平臺的設計，與其他儀器共享系統的不同之處在于將不同單位實驗室儀器的資源進行整合，引入集團單位管理的概念和方案，通過新型信息技術手段實現儀器全周期電子化管理，改變儀器管理機制，簡化了預約流程、減少了成本消耗及工作量、能快速準確的提供決策依據，有效的優化了儀器資源分配，提高了儀器的使用率，分攤了儀器購買成本，避免了儀器重復購買，解決用戶經費與儀器造價的矛盾。科研設備共享管理平臺涉及界面清晰，操作簡單，并且將計算機技術全面應用在儀器管理全周期，實現了管理電子化簡化了業務流程減少人工成本的投入，提高管理數據的準確性。系統使用效果達到的預期目標，基本滿足了管理員和一般用戶的需求，借助信息化工具有效減少工作量，提高儀器使用率，提供了強大的查詢統計功能，方便領導及時了解，為制定合理有效的決策提供依據。

4 后續展望

目前針對科研儀器共享平臺，僅詳細研究與實現了對儀器管理的主要功能，根據需求調研龐大用戶群體，還有很多功能需要實現：

（1）缺少評價體系，應該在系統中搭建評價平臺，可以讓用戶對儀器、實驗室及工作人員等進行評價，這樣可以幫助管理者了解系統無法監控到的點，及時完善和處理。

（2）缺少送樣預約模塊，該模塊主要提供樣本的檢測、結果上傳及發布、送樣審批、樣本狀態、樣品信息等功能，更好為用戶提供便利。

（3）儀器設備共享管理系統可以將學生管理及培訓加入進來，將攝像頭更換為語音攝像頭進行監控實驗室的操作，如發現有不正確操作或其他不良問題，儀器管理員可以通過遠程進行培訓或執行，減少由于實驗室分布分散導致不能第一時間處理的問題。

（4）完善現有黑名單功能，建立處罰機制，系統中的黑名單功能過于簡單，后期完善后可以在該功能下通過不同的處罰類型建立處罰的規則，記錄不良行為和處罰記錄，有效的控制使用人員的行為。

（5）完善視頻監控系統和二維碼二維碼門禁控制系統的設計與研究。