基于物聯網的無人實驗室設備管理系統的設計與實現

摘要：實驗室作為高校與公司培養人才的重要場所，設備管理尤為重要，顯然傳統人工設備管理模式難以跟上當前發展速度。本文以此為背景研究基于物聯網的無人實驗室設備管理系統，從現有設備管理系統相互比較入手，介紹本系統的硬件模塊構成，隨之詳談系統采用的RFID無線射頻技術，人臉識別技術以及基于Flutter跨平臺框架等主要技術。最后通過技術的結合介紹重要功能的設計與實現，得到一個適用于現代化實驗室的穩定性高且安全的無人實驗室設備管理系統。

關鍵字：無人實驗室；設備管理；RFID；Flutter跨平臺

一、引言

近年來，隨著社會與經濟的發展，國家也愈發重視科研人才的發掘與培養，因此實驗室作為高校與公司的重要場所，較好的管理才能減少不必要的麻煩。傳統實驗室設備管理一方面是雜亂無章毫無秩序，另一方面是人力消耗過大，存在實驗室管理效率低，設備數量不對的情況。所以這也是實驗室難以實施規劃管理，且公司實驗室管理決策不到位的問題。由本文提出對無人實驗室設備管理手段的研究與實現，改造設備管理的業務模式，提高設備管理效率與質量。

研究這一系統是為了實現無人化智能化的設備管理體系。減少人力資源成本，提高工作效率。本系統用RFID無線射頻技術，人臉識別技術以及OKTTP協議，有效減少實驗室重要設備被盜的風險，形成了規范化、制度化的實驗室設備管理，為研究人員使用和管理人員對設備的維護提供了極大便利。

用戶可以在App端或Web端根據設備需求時間不一進行選擇或預約設備，然后前往實驗室處進行取用，進入實驗室前，用戶打開App進行人臉識別確定身份然后獲取進入資格，取用常規設備前無須再進行人臉識別，與設備存放處對應的工卡即可取用。取用重要設備前采用人臉識別對用戶身份進行匹配。匹配成功后用戶即可獲取所需的重要設備。實現了一人一卡一門。同時管理人員可以通過后臺對設備取用情況進行實時監控抓拍，保障了實驗室設備的安全性。

二、現有實驗室設備管理方式

在市場現有實驗室設備管理系統大致有表1所示的幾種，但它們都存在不同程度上的不足，而本文研究的基于物聯網的實驗室設備管理系統將以下提到的方式合為一體，解決了它們存在的不足，同時提高了實驗室設備管理的效率。

三、系統主要硬件模塊構造

（一）攝像頭模塊

采用高清攝像頭對實驗室進行實時監控以保證其設備安全，通過攝像頭遠程監控，管理員可以在Web或移動端遠程對用戶實時動態進行監察。若設備在無權限情況下強制取用，抓拍器立刻抓拍，并將獲取的圖片傳入云端然后發送至管理員端，實時報警。管理員根據得到的情況進行相應處理。

（二） 門禁模塊

在實驗室入口處設置基于RFID與人臉識別結合構成的門禁，本系統采用RFID-RC522，它發出的射頻信號會自動識別目標對象的電子標簽，且得到其對應芯片的UID相應信息，這一識別過程可以在無人情況下進行，故無需人干預。再者有攝像頭模塊的加持，管理員可進行遠程監督，操作方便快捷。讀卡器采用的是MFRC522為基礎，利用射頻識別技術，加上SPI協議和ESP8266進行通信。其中由于SPI的結構是一個環形構造，故需要至少4根線才能進行通信，包括MISO、MOSI、SCLK、CS。當狀態為1時也就激活了門禁系統，則RC522開始尋卡，從而發出射頻信號。

（三）力度傳感器模塊

此模塊應用壓電效應，所謂壓電效應就是當介質（晶體）受到機械壓力時，內部會產生電極化現象，同時在某兩個表面產生異種電荷，從而引起介質表面帶電；而這種性質稱之為壓電性[1]。所以在研究中系統在電壓達到一定值時，它收到信號后，蜂鳴器會得到信息而發出預警，通過協議傳送給管理員。

四、運用技術

（一）RFID無線射頻技術

RFID技術，其實就是一種非接觸式的自動識別技術，利用無線射頻識別掃描目標物體，以非接觸自動識別技術為基本原理，將射頻信號利用信號獲取、分析并通過相應網絡協議幻化成可視化信息的技術。射頻識別系統（RFID）主要包括四個組成部分，分別是上層企業應用、RFD中間件、閱讀器以及電子標簽[2]，如圖1所示。

本系統通過使用RFID技術將工卡或者用戶卡綁定，并與人臉識別技術相結合設置權限，將設備分為普通設備和一般設備，按照權限刷卡和識別人臉方可實現大門和暗箱的開啟。在設計中，劃分為重要設備的物品需要先進行人臉識別，在刷對應工號，才能達到目的。

（二）人臉識別技術

本系統人臉技術設計流程：1.百度人臉識別；2.上傳開門請求（經HTTP協議通過）；3.服務器收到請求；4.下發通知；5.云服務器接收；6.舵機開門。

監控環境與門禁聯動實現大門和暗箱的開啟。用戶在注冊時，系統會將人臉錄入到本地人臉庫。人臉庫更新會，待用戶下一次若需進實驗室時，系統會自動匹配本地庫中的記錄從而進行比對。

人臉檢測：通過檢查是否檢測到了人臉，然后來實現拍攝的點測光或是對焦， 或協助智辨別出人臉和其他移動的物品并進行智能報警。

人臉識別：檢測到人臉并判別是否為所注冊或授權的用戶來使用設備或是自動裝置。

檢測人臉時本系統采用基于機器視覺的圖像篩選算法，通過高斯濾波等技術確保人臉移動，或在不同角度，低背光環境下等情況都能準確得到和追蹤人臉輪廓以及特征點。

（三）OKHTTP協議

OKHTTP協議用于本系統的移動端和WEB端的數據交互，為實現租借、預約、反饋等信息的實時上傳與更新做好了基礎。通過HTTP使上位機和下位機信息互聯，基于機器視覺的圖片篩選算法篩選圖片，以此協議與APP聯動。如果同一服務器上有多個IP地址，在一個IP地址申請失敗時，OKHTTP協議就會嘗試協助配置另外的IP地址，這樣就得以提高APP與WEB端交互穩定性。圖2為APP與WEB數據交互流程。

（四）基于Flutter前端技術

Flutter作為當前移動端流行框架，是因為它可以提高工作效率，節約開發成本，本系統利用此技術框架進行開發可以輕松實現APP跨平臺運行。同時Flutter框架又擁有其他跨平臺框架沒有的高性能。主要表現兩個方面，首先，Flutter本身自帶一個渲染引擎，不用像RN那樣通過中間層到原生渲染[3]，減少了性能開銷，能夠實現高幀率的流暢UI。其次，Dart語言有獨特的優勢，JIT和AOT兩種當下主要的編譯方式在Dart語言中都是支持的[4]。

五、系統重點模塊設計與實現

（一）APP總體設計

如圖3所示，用戶注冊登錄用戶界面，可以瀏覽到所有設備的基本信息和取用情況，用戶可以根據自我需求時間自主選擇或預約所需產品，填寫相關設備信息并提出申請，填寫用戶基本工卡身份信息。歸還時也需填寫歸還信息并提出申請，與申請流程相似。

（二） 租借模塊與歸還模塊

圖4為租借流程，整個實驗室采用多個攝像頭，實現全方位監控，實現無人化安全管理。用戶進倉庫前，需要進行人臉識別。人臉識別成功，倉庫門會自動打開。人臉識別失敗，蜂鳴器報警。

人員進入倉庫后，申請租借普通設備或者一般設備時，只需用手機打開App，進入登錄界面，在租借界面填寫相關信息后，最后點擊“申請”。如果是新用戶，則點擊“注冊”，按步驟填寫信息進行注冊。登錄后進入移動互聯時代的設備管理的主頁，用戶可根據自己的需求選擇所要租借的設備。或者可以點擊“申請預約”，用戶需填寫個人信息：姓名、工號、時間、租期。再拿工卡刷卡，設備門打開，便可以拿到自己所需設備。申請租借重要設備時，需用手機打開App，進入登錄界面，填寫相關信息。如果是新用戶，則點擊“注冊”，按步驟填寫信息進行注冊。登錄后進入移動互聯時代的設備管理的主頁，用戶可根據自己的需求選擇所要租借的設備。點擊“申請”過后會有個人臉識別，人臉識別通過后才可以拿工卡刷卡租借設備。租借成功后，硬件設備上會有一個燈亮，表示租借成功。

同租借設計原理一樣，歸還流程：虹軟人臉識別區分為普通設備與重要設備。

普通設備流程：1.APP申請填寫信息；2.刷卡開門；3.歸還設備。

重要設備流程：1.APP申請填寫信息；2.人臉識別；3.刷卡開門；4.歸還設備。

（三）預約模塊

預約流程：1.選擇商品（點擊預約）；2.輸入信息（經人臉識別）；3.上傳信息；4.進入商品預約界面。

用戶注冊登錄用戶界面，可以瀏覽到所有設備的基本信息和取用情況，用戶可以根據自我需求時間自主選擇或預約所需產品，填寫相關設備信息并提出申請，填寫用戶基本工卡身份信息。歸還時也需填寫歸還信息并提出申請，與申請流程相似。

（四） 其他模塊

信息流轉界面：管理員點擊菜單欄中的信息流轉，可查看不同實驗室設備的取用狀態及取用用戶的基本信息。

管理員后臺定位界面：可以將物品在地圖上用經緯度表現出來，方便用戶尋找。

六、結束語

由于設備價值的不斷升高，實驗室設備管理成為的重要議題。若設備造成意外損傷或丟失，會給實驗室帶來嚴重的財產損失。在本文研究中，主要就是通過此問題并與市場設備管理系統相對比，而引出建立所有技術相結合的現代化無人實驗室設備管理系統。本系統集成WEB和APP，基于人臉識別技術、RFID、通信技術、算法技術簡化管理流程，提高設備管理工作的效率和管理水平，也降低了管理員的工作難度。通過本文研究，實現移動互聯網時代下的無人設備管理系統，實現設備管理工作的規范化、網絡化以及無人化。在后續研究中，會繼續優化系統各項技術與流程。

作者單位：徐佳欣? ? 金陵科技學院

參? 考? 文? 獻

[1] Wonhwa Hong，Samuel Kim．A study on the energy con -sumption unit of subway stations in Korea[J]．Building and Environment，2004，39（12）．

[2]周曉光，王曉華，王偉.射頻識別（RFID）系統設計、仿真與應用[M].人民郵電出版社，2008

[3]鄧皓瀚.基于Flutter的跨平臺移動APP開發前景研究[J].信息與電腦（理論版），2019（15）：197-199.

[4]金誠.移動應用跨平臺開發框架的比較分析[J].民營科技，2018（10）：150-152.