基于物聯網感知技術的方艙智慧中控系統設計

張怡敏，甄希金，石粟萍，孔 寧，楊山林

（1.上海申博信息系統工程有限公司，上海 200032；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032；3.船舶智能制造國家工程研究中心，上海 200032）

0 引言

2020年初新型冠狀病毒在國內蔓延，面對數量巨大的待檢人數，方艙式快速核酸檢測實驗室迅速發展并在機場、高鐵站等范圍得到了廣泛應用。方艙式核酸檢測實驗室對高效、精準發現新冠病毒，快速、有效隔離感染人群具有重大作用。但目前市面上的方艙實驗室仍然缺乏統一的中控系統，常見的實驗室管理系統無法感知環境信息，智能化水平較低。隨著信息技術的發展，很多場景借助物聯網技術已經實現或正在實現智能化的轉變，而方艙智慧中控系統要想實現有效監控疫情高風險區域的方艙式快速核酸檢測實驗室，對于環境信息的感知必不可少。根據智慧中控系統的業務、功能需求，基于物聯網感知技術，研究設計智慧中控系統的系統架構，目標是實現實驗室環境感知，為智慧中控系統控制功能的開發及實現夯實基礎，最終實現方艙實驗室的智能化監測與控制。

1 物聯網感知技術概述

1.1 基本概念

物聯網（Internet of Things,IoT）是指通過互聯網、傳統電信網等信息技術載體，使任何可以執行單一功用的通用物體之間進行互相聯通的信息網絡。物聯網通過不同裝置與技術，實時采集不同的信息，并通過不同類型的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接。在所有物品信息相互傳遞和相互交換的整個流程中，完成了對所有物品信息的自動識別、監測、管理、追溯和自主定位，同時也完成了所有用戶對物體結構和過程信息的智能感應、識別和管理[1]。

物聯網主要體系結構如圖1所示。由圖1 可知，感知層是整個物聯網體系架構的末端，是支撐整體物聯網系統結構的重要基石，也是物聯網與傳統互聯網的重要區別。物聯網感知層的資料獲取和感知功能主要是用來獲取物理行為和資料，包含了各類物理量、標記、聲音和視頻等資料。物聯網的感知技術一般包含傳感器、RFID、多媒體信息搜集、二維碼和即時位置等核心技術。

圖1 物聯網體系架構

1.2 網絡基本架構

實驗室智慧中控系統物聯網網絡架構主要分為系統管理應用層、網絡層以及環境感知層三部分[2]。其中，環境感知層和網絡層由各種傳感器設備和傳感器網關等組成，是物聯網系統工作流程中的環境數據和信息的主要來源，涵蓋了各種傳感器和設備，包括環境監測攝像機、實時數據采集設備、信息監測基礎設施等，也是在目前的信息技術背景下在物聯網通信系統中對環境數據實施在線監控時所必需要使用的數據傳感器和設備[3]。

環境傳感層的主要功能與人體感官系統相似。利用不同的技術手段收集、分類、鑒別各種物體的信號，采用不同的方式使這些物體互相聯系，在接觸環境時記錄所需要的數據并上傳，最后展示在用戶面前。

網絡系統層由各類私有網絡、互聯網、有線與無線通信網、網絡系統以及云計算平臺等構成，主要負責傳送與管理從感知層獲取的各種數據信息。一般情況下，信息處理中心、網絡安全技術中心、網絡安全控制與管理中心等都指向網絡層，它是整個信息管理中心和其他物聯網系統之間的無線通信或者聯網途徑。通俗地說，網絡層相當于人類的神經中樞與大腦，它最重要的功能就是把采集到的數據信息實時傳送到監控中心。

1.3 關鍵設備

1.3.1 傳感器

傳感器是物聯網感知層的主要感應裝置，類型很多，常用的有水溫、氣壓、溫濕度傳感器等。作為一個測量設備，傳感器主要負責感知外部信號，然后把這些信號通過一定規律轉化為電信號，最終結果經由傳感網絡輸送到個人電腦上，并提供給軟件通過人工智能進行分析使用。針對方艙智慧中控系統運行過程中對艙室環境、設備狀態、能源消耗等信息的感知需求，結合多種不同類型、不同功能的傳感器，構建部署適用于方艙核酸檢測實驗室的艙室感知系統，實現實時采集艙室溫度、濕度、氣壓、含氧量等各類指標[4]。

1.3.2 RFID

射頻識別（RFID,Radio Frequency Identification）作為物聯網感知層的主要設備之一，俗稱電子標簽。RFID 主要用于建立各種物品的唯一身份，其系統組成包括：電子標簽、讀寫器（閱讀器）以及作為服務器的計算機。相對于條形碼的單向交流，RFID 可以提供更為便捷的雙向讀寫，更適用于方艙智慧中控系統網絡環境的構建。在方艙智慧中控系統設計中，設計為方艙核酸檢測實驗室內的物品、設備及儀器粘貼RFID 標簽，然后在系統中建立該物品、設備及儀器的相關描述信息，使之與RFID 編碼相對應，用戶可通過讀寫器對其進行操作[5]。

1.3.3 多媒體采集器

多媒體采集器作為物聯網感知層的主要設備之一，泛指音頻、視頻、圖像等信息的采集裝置，如攝像頭、話筒、微型照相機等。在方艙智慧中控系統設計中，擬采用人臉識別攝像頭、紅外線攝像頭等多媒體采集器，實現實驗室控制的視頻監控、門禁系統及應急預案等功能[6]。

2 智慧中控系統需求分析

2.1 系統業務需求

軟件系統業務需求分析是系統構建的基礎，是智慧中控系統構建的首要環節。針對方艙實驗室運行過程中多艙室聯動造成的在控參數繁多、協同控制困難、數據傳輸效率低、交互響應不及時等實際問題，開展方艙工作流程及智慧中控系統業務需求分析。通過對模塊化方艙實驗室的工作流程進行分析，梳理多模塊艙室運行實際控制需求，分別從數據表示與轉換、信息通信、智能分析、協同決策控制、系統開發集成、數據接口設計、應用實施等方面分析多模塊艙室運行過程的智慧控制技術應用特點，明確技術融合應用模式，為疫情形勢下研發適用于方艙式檢測實驗室的智慧中控系統指明方向[7]。

2.2 系統角色需求

分析不同軟件使用人的需求，對其在使用軟件時的角色進行定義，對于不同角色的使用人，軟件系統賦予其不同軟件操作權限[8]，如圖2 和表1所示。

表1 軟件使用人需求分析

圖2 角色架構

3 智慧中控系統開發

3.1 技術架構設計

智慧中控系統采用B/S 架構，此架構可以整合服務器，把系統功能與實現的核心部分匯集到服務器上，統一客戶端，簡化系統的開發、維護和使用，只需在客戶端上安裝主流瀏覽器，對于客戶端不做任何性能要求；服務器安裝數據庫，客戶端通過瀏覽器的Web Server 與數據庫進行數據交互，實現系統功能控制。技術架構設計如圖3所示。

圖3 技術架構

3.2 功能架構

中控系統主要實現以下4 大方面業務：方艙實驗室內環境各類指標及各類設備能耗數據的監測、實驗室內設備的日常控制和應急預案、實驗室系統管理和實驗室產生數據的管理。具體功能框架如圖4所示。

圖4 智慧中控系統功能架構

每個方面的具體軟件業務包含：傳感器監測、視頻監測、報警通知接收、設備日常控制、應急預案控制、系統設置和數據管理。

傳感器監測主要是對實驗室的環境條件（溫濕度等）以及實驗室內設備能耗/利用率的監測；視頻監測主要是通過網絡將實驗室內實時情況傳輸至集控中心并顯示在大屏上；報警通知接收業務主要是在緊急情況發生時監測系統可以收到相關報警通知。設備日常控制業務包含對出入實驗室門禁系統的控制、日常實驗室內環境消殺設備的控制、空調和燈光等設備的開關控制。應急預案控制主要針對實驗室在發生緊急狀況時對實驗室報警設備的控制和其他設備的一鍵制動。系統管理業務主要包括系統用戶信息及權限的管理、艙室位置和艙室內報警類型參數的設置和維護、系統通知規則的設置。數據管理主要是在樣本信息數據庫中錄入和存儲檢測結果信息，對其進行管理維護，形成可視化看板及相關報表，并進行統計分析。

3.3 數據庫設計

根據智慧中控系統需求及上述具體功能需求描述，對所需的數據列表進行定義，后期在軟件詳細設計時可根據需求細化具體數據格式。數據格式如下：

（1）用戶管理數據包含：用戶名、姓名、密碼、工號、性別、電話、職務等；

（2）角色管理數據包含：角色名稱、角色編碼、關聯用戶名等；

（3）權限管理數據包含：權限名稱、權限描述、父級權限、關聯角色編碼等；

（4）艙室位置參數維護數據包含：艙室名稱、艙室編號、X坐標、Y坐標、Z坐標等；

（5）報警類型數據包含：報警類型、重命名等；

（6）通知規則數據包含：通知事件、通知對象、通知類型、通知頻率、報警未處理事件、通知周期等；

（7）設備儀器管理數據包含：設備品牌、設備型號、設備名稱、設備編號、資產編號、用戶ID、設備安裝日期、設備質保期、設備圖片、設備類型、運行狀態、維保狀態、監控狀態、傳感器ID 等；

（8）樣本庫信息管理數據包含：樣本人姓名、樣本人性別、樣本編號、樣本人電話、樣本采集時間、檢測結果等；

（9）傳感器管理數據包含：傳感器名稱、傳感器類別、艙室ID 等；

（10）能耗監測數據包含：電流、電壓、功率、頻率、設備ID、艙室ID 等；

（11）環境監測數據包含：溫度、濕度、壓力、氣體濃度、艙室ID、傳感器ID 等。

根據以上內容，得到智慧中控系統數據庫邏輯結構如圖5所示。

圖5 智慧中控系統數據庫邏輯結構

4 結語

基于物聯網感知技術的方艙智慧中控系統設計，首先了解物聯網感知技術的基本概念，調研實現感知技術所需要的關鍵設備；其次對實驗室智慧中控系統進行需求分析，包括業務邏輯分析和人員角色分工；最后根據需求對系統技術架構、功能框架和數據庫進行設計，并進行系統開發。

下一步對于方艙智慧中控系統主要需要進行網絡傳輸[9]、信息溝通交流[10]方面的技術研究和探索，爭取高效、可靠地實現智慧中控系統對于方艙實驗室的智能感知、網絡聯通和軟硬件協調控制。