檢測實驗室標準物質管理系統設計

姚澤波， 施磊奔， 鄭堅璐， 李運堂， 富雅瓊， 陳 樂

（1.中國計量大學機電工程學院，杭州 310018；2.浙江省計量科學研究院生物與化學計量研究所，杭州 310018）

0 引 言

隨著我國社會經濟的迅速發展和檢測水平的不斷提高，生產生活中的檢測需求日益增加，如大型體育賽事中運動員興奮劑檢測［1］、前新冠疫情時代核酸檢測［2］、后新冠疫情時代抗原檢測［3］等，同時，檢測所需的標準物質的需求也增長迅速。標準物質（reference material）是具有足夠均勻和穩定的特定特性的物質，其特性適用于測量或標稱特性檢查中的預期用途［4-6］。對標準物質進行有效的管理控制是當前檢測實驗室急需解決的問題［7-9］。目前，我國還沒有一個成熟的自動化標物管理系統，相關研究主要集中在標準物質的管理制度上［10-12］。

李強等［13］用Excel建立了一套理化實驗室標準物質管理系統，黃錦陽［14］開發了標準物質軟件系統，黃海霞等［15］建立電子辦公系統，實現了標準物質相關信息的規范化、信息化。但系統與人員的交互性低，無法實現標準物質的自動分類存取，仍容易出現標準物質的信息紕漏和標準物質失效的情況。因此設計出更為高效的標物管理方法，以及適用的存儲裝置及管理系統勢在必行。

1 標物優化管理方法

目前實驗室對標準物質的管理主要集中在購置、存放使用、核查3 個方面［4-12］。對標物的優化管理目的是提高購置效率和入出庫效率，同時保證標物的庫存準確度和品質的有效性。在標物購置階段采用科學的標物分類編碼方法，在存放使用階段采用提高總體存儲空間利用率和減小入出庫時間的方法，并設計自動化存儲裝置及信息化管理系統實現上述功能。

1.1 標物分類編碼

每個國家發放的標準物質都被賦予標準物質證書號，以解決標準物質多種類大批量難以管理的問題，但對于同一批次的同種標準物質，標準物質證書號是一致的，難以實現同批次不同標準物質最小單元的唯一標識，因此有必要對標物進行唯一編碼。標物的信息編碼采用字母、數字、下劃線組成字符串，編碼格式如圖1 所示。

圖1 標物信息編碼格式

第1 標識符代表標準物質的類目，包括：綜合類（A）、農林類（B）、礦業類（D）、化工類（G）、冶金類（H）、儀器類（N）、建材類（Q）、紡織類（W）、食品類（X）、環保類標準樣品（Z）［16］。第2 標識符代表標物名稱，為標物名稱的首拼音小寫字母。第3 標識符為標物的入庫順序號，該序號在錄入系統時自動生成2位數字。第4 標識符為標物的8 位數字有效期。第5標識符代表標物的存儲溫度要求，數字1 ～4 依次為常溫、2 ～8 ℃、4 ～10 ℃和16 ～24 ℃。第6 標識符代表標物的不確定度，為不確定度去掉百分號和小數點后，剩余位補0 組成的4 位數字。

1.2 總體存儲空間利用率

標物被分類存放在含有多個箱位的存儲裝置中，總體存儲空間利用率是指每種標物的庫存量與該種標物的存放箱位數的比值的總和，定義式為

式中：η為總體存儲空間利用率；i 為標物種類；n 為標物種類總數；Qi為i類標物的庫存量；Ri為i類標物的存放箱位數。

提高總體存儲空間利用率有利于提高實驗室標物存有率，降低庫存周轉壓力。在實際存放使用階段，每種標物的存儲空間利用率可以等價為選擇存入的箱位中已有標物量與當前存入標物量之和與該箱位允許的最大容量的比值。等價關系式為

式中：Ni為選擇存入的箱位中已有標物量與當前存入標物量；N為當前存入標物量；Nimax為該箱位允許的最大容量。

1.3 入出庫時間

設工控機在存儲裝置的豎直平面內的中心位置坐標為（x0，y0），j為箱號，（xj，yj）為j箱在存儲裝置的豎直平面內的中心位置坐標，那么j 箱的一次入出或出庫時間t為

2 系統總體設計

以實現標準物質的準確監控和安全管理為目標，通過計算機、數據庫技術和存儲柜、傳感器等設備的配合，設計了集存儲和管理功能于一體的標物優化管理系統。

2.1 系統組成

系統由軟件管理平臺、標物存儲裝置硬件系統組成，各模塊之間相互關聯配合，如圖2 所示。

圖2 標物管理系統組成框圖

在整個系統中，硬件系統采集標物、人員、存儲環境信息并傳遞給軟件系統進行處理，軟件系統處理后發送相應的控制指令給硬件，實現標物的入出庫管理。

2.2 系統架構

系統可以構建物聯網的4 層邏輯架構即感知層、網絡層、平臺層、應用層，如圖3 所示。感知層，由各模塊的傳感器構成；網絡層，對標物信息進行存儲跟蹤，將感知層各節點與系統終端連接，將傳感器采集到的數據傳輸給系統終端；平臺層，包括統一開放接口、服務器和數據管理等；應用層，處于最頂層，主要負責管理平臺的數據處理及界面操作，包括標物的出入庫統計、盤點及管理等。

圖3 系統邏輯架構

3 硬件系統設計

硬件系統由電磁鎖控制模塊、上位機控制模塊、人員識別模塊、標物入出庫模塊、存儲環境溫控模塊組成。硬件系統總體結構圖如圖4 所示。

圖4 硬件系統總體結構圖

電磁鎖控制模塊用于實現標物分類存取過程中指定位置的箱門開關，硬件設備包括存儲柜、電磁鎖和鎖控板，采用RS485 串口通信。

上位機控制模塊用于處理其他各模塊上傳的數據，發送操控指令，并進行人機交互界面的顯示。硬件設備包括工控機和觸摸屏。

標物入出庫模塊用于完成標物在存儲柜中的存入和取出，硬件設備包括條碼打印機、掃碼槍和人機界面中的虛擬按鈕，采用RS232 串口通信和USB通信。

人員識別模塊用于識別人員身份，保證系統和標物安全，硬件設備包括攝像頭和服務器，采用TCP/IP通信。

存儲環境溫控模塊用于監控標物的存儲溫度，硬件設備包括冷藏箱、Pt100 鉑熱電阻和溫度巡檢儀，采用RS485 通信。

4 軟件系統設計

本系統軟件采用LabVIEW開發完成，包括標物入出庫管理等功能模塊的邏輯實現及標物管理系統可視化界面的顯示。軟件系統設計主要包括4 方面：標物入出庫控制、標物信息管理、入出庫箱位決策、標物品質保障。

4.1 標物入出庫控制功能實現

標物入出庫是管理系統最核心的功能，根據標物入出庫流程和存儲柜實際的庫存狀況進行標物入出庫控制程序的設計，如圖5 所示為標物入庫流程。

圖5 標物入庫程序流程

在標物入庫過程中，用戶在人機交互界面錄入標物相關表單信息，校驗成功后生成相應編碼錄入數據庫標物信息表，隨后打印機打印相應數量的二維碼標簽并貼于標物包裝外表面，經過后臺入庫決策算法后工控機向存儲柜發送開箱指令，用戶存入標物后數據庫更新入庫記錄表，此即完成了一批標物的入庫。如圖6 所示為標物出庫流程。

圖6 標物出庫程序流程

在標物出庫過程中，用戶在人機交互界面選擇標物查詢條件，系統查詢數據庫后判斷是否有滿足條件的標物，若無則提示采購，若有則提示用戶選擇標物和出庫數量，經過后臺出庫決策算法后工控機向存儲柜發送開箱指令，用戶取出標物后掃描二維碼標簽，數據庫更新出庫記錄表，此即完成了一次標物的出庫。

4.2 標物信息管理功能實現

標物信息管理主要包括用戶管理、庫存查詢、異常處理、期間核查等人機交互界面以及通信配置、數據庫、報表等后臺實現。如圖7 所示為標物管理系統結構圖。

圖7 標物管理系統結構圖

通訊配置包括波特率、數據比特、停止位、流控制和奇偶校驗位，波特率根據硬件設備設置，其余分別設置為8、1、無、None。

數據庫采用MySQL 建立，根據標物管理需求，包括建立標物信息數據庫、用戶信息數據庫、庫存信息數據庫、使用記錄數據庫和溫度記錄數據庫。

報表設計主要包括入庫表單、出庫表單、核查記錄表單，其中核查信息報表需包含標物有效期和實際保存溫度。

4.3 標物入出庫箱位決策功能實現

無論是標物入庫還是標物出庫，軟件均需提供一個合適的存取箱位，在提高總體存儲空間利用率和減小入出庫時間的基礎上實現標物分類存放，如圖8 和9 所示分別為標物入庫和出庫箱位決策算法。

根據（2）式可知，入庫時同批次標物應盡量集中存放在同一箱位，出庫時應優先選擇標物庫存較少的箱位。根據（3）式可知，在標物入出庫時應盡量選擇靠近工控機的箱位。綜上考慮，得出一種以總體存儲空間利用率為主，以標物入出庫時間為次的標物入出庫箱位決策。

4.4 標物品質保障功能實現

存儲環境溫度是標物存儲管理的一個重要對象，監控標物的存儲溫度在要求范圍內是確保標物品質有效的重要前提。

溫度巡檢儀的型號為MIK-R6000F，精度為0.1，量程為0 ～100 ℃，采用RS485 串口通信編程，數據傳輸格式遵循MODBUS-RTU協議，溫度數據以十六進制字符串形式傳輸，格式為IEEE64。在LabVIEW 中儀器通訊通常采用VISA 配置串口后進行數據讀寫操作，設置波特率、數據比特、停止位、流控制、奇偶校驗位分別為9 600、8、1、無、None。采用應答式與無紙記錄儀進行對話，發送數據為8 Byte，1 ～2 Byte 包含儀表地址和發送操作命令，3 ～4 Byte 為寄存器起始地址，5 ～6 Byte為寄存器數量，7 ～8 Byte為CRC校驗位。

返回數據格式為9 個字節的十六進制字符串數據。其中第1 個字節表示儀表地址，第2 個字節表示讀取操作命令，第3 個字節為返回的數據的字節長度，第4 個字節到第7 個字節即為返回的溫度數據，最后兩個字節為CRC校驗碼的高位和低位。

上位機軟件接收到返回的數據后，截取4 Byte 十六進制溫度數據，采用IEEE 二進制浮點數算術標準（IEEE 754）轉換成十進制雙精度浮點型溫度數據。在采集無紙記錄儀返回數據的同時，需要對數據進行轉換和記錄。由于采集周期不需要很短（≥1 s），系統有充足的時間對采集到的數據進行轉換和記錄，因此可以把采集、轉換和記錄程序放在同一個事件分支對應的循環內。而用戶觸發事件和對應響應則需要采用多線程編程，為了防止數據丟包和競爭，選用生產者-消費者架構。

5 實驗測試結果

選取標物存儲柜的型號為20 個箱位（10 ×2），頂部兩個箱（1 號和11 號）內設有冷藏箱，可調節存儲溫度，存儲柜內初始庫存為0。待入庫標物包括：空氣中甲烷氣體標準物質、空氣中一氧化氮標準物質、氧中甲烷氣體標準物質、氮中硫化氫氣體標準物質、氮中乙烷氣體標準物質、氮中丙烯氣體標準物質（假設需冷藏），數量均為35 瓶，每個箱位的最大容量根據不同箱體尺寸（見圖1）設置如下：1 號、11 號為40 瓶，9號、10 號、19 號、20 號為30 瓶，其余為20 瓶。

5.1 標物入庫測試

采購員在軟件平臺錄入標物信息后，軟件向打印機發送ZPL 格式的打印指令。二維碼標簽不僅可供系統的掃碼槍識別后查詢和修改數據庫中的標物信息，也可供移動手機直接掃碼識別從而快速獲取正在使用標物的信息，保證了實驗室檢測程序的可靠性。

在標物入庫界面用掃碼槍掃描標簽二維碼，確認入庫后數據庫中的標物庫存信息成功更改，所有待入庫標物入庫完畢后，系統庫存信息如表1 所示（其中最小庫存用于提示采購進貨）。

表1 標物庫存信息

5.2 標物出庫測試

在標物查詢界面按名稱查詢氧中甲烷氣體標準物質的庫存信息，輸入數量后選擇自動出庫，后端執行如圖9 所示的出庫算法，5 號箱中庫存為15，17 號箱中庫存為20，為了實現庫存集中度最大化（即節省存儲空間），軟件自動選擇5 號箱出庫。

圖9 標物出庫箱位決策算法

若對于出庫標物的其他屬性（如生產單位，標準值等）有要求，則手動選擇滿足該屬性的標物出庫，如圖10 所示。

圖10 按條件出庫界面

5.3 溫度實時采集和記錄測試

1 號和11 號箱的冷藏溫度設置為20 ℃，箱內溫度數據實時采集并傳送到上位機顯示界面，在系統后臺能查看歷史溫度數據，如圖11 所示，溫度采集和記錄周期均設置為5 s，11 號箱執行標物入出庫后，溫度從19.5 ℃上升至26.3 ℃。此時報警燈顯示紅色，提示標物存儲狀態異常，可有效避免標物長時間處于不合適的存儲條件下，同時，歷史溫度記錄可供期間核查，提高核查報告的可靠性。

圖11 1號箱和11號箱的溫度采集和記錄

經測試，標物管理系統的運行狀況良好，數據庫的標物信息更新與系統裝置的各個模塊響應緊密聯系，標物入庫后的系統庫存符合該系統設計的優化流程算法，標物出庫時提供的可選擇標物項完整。用戶管理、流水記錄、核查管理等其他子功能均可實現，可以實現標準物質的自動分類存儲和信息化管理。

6 結 語

標物管理系統可以高效、準確、便捷地對標準物質進行信息化管理，能實時監測和記錄標物的存儲溫度。標物的信息編碼方式能保證標物的唯一性，提高了標物的出入庫效率和庫存準確率。標物入出庫算法實現了標準物質的分類存取功能。同時，人員管理和記錄查詢功能能夠完善系統管理制度，保證標物庫存安全。該系統為實驗室重要物品的管理、降低實驗室管理成本提供了技術支撐。