徐曉坷，陳惠明，李玉榮

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理探究

徐曉坷，陳惠明，李玉榮

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)品的大量實(shí)現(xiàn)，智能實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)也不再遙遠(yuǎn)。這種新型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的最主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化和實(shí)時(shí)化，大大降低了人員費(fèi)用的開支，這將從根本上改變我國高校一貫運(yùn)用傳統(tǒng)的方法來管理實(shí)驗(yàn)室的局面。該文提出了一些物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)，并利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理方案。

物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；傳感器；RFID芯片；探究

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”這一物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)議題以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連同其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)，被譽(yù)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息化產(chǎn)業(yè)的浪潮。作為互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊網(wǎng)等應(yīng)用的增長點(diǎn)，將會(huì)大大促進(jìn)信息化的應(yīng)用，不僅僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供技術(shù)動(dòng)力，為產(chǎn)業(yè)行業(yè)開拓了又一潛力無窮的發(fā)展機(jī)會(huì)。隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)涉及各類產(chǎn)業(yè)和人們生活的方方面面，將大大提升互聯(lián)和智能方面的特性，使實(shí)現(xiàn)智慧地球的夢(mèng)想成為可能[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用，綜合運(yùn)用了現(xiàn)均已趨成熟的RFID、WSN技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)等知識(shí)，將實(shí)驗(yàn)室中的所有物品，包括儀器設(shè)備、辦公用品、實(shí)驗(yàn)耗材、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)人員等，與網(wǎng)絡(luò)連接起來、與移動(dòng)信息網(wǎng)連接起來，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新時(shí)代必將為人們帶來生活上、工作上的全新體驗(yàn)[3]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)是指通過RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，以有線或無線的方式把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以計(jì)算、存儲(chǔ)、分析等處理方式構(gòu)成所關(guān)心事物的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的信息知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[4]。

物聯(lián)網(wǎng)的用途非常廣泛，遍及城市管理、數(shù)字家庭、定位導(dǎo)航、現(xiàn)代物流管理、食品安全控制、零售、數(shù)字醫(yī)療、防入侵系統(tǒng)[5]等諸多的領(lǐng)域。

2 高校實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀

高校實(shí)驗(yàn)室管理目標(biāo)可以分為安全性、高效性、精確性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等。目前，高校實(shí)驗(yàn)室管理最常用的方法還是主要依賴于相關(guān)實(shí)驗(yàn)管理人員的定點(diǎn)管理以及實(shí)驗(yàn)室制度規(guī)章的硬性約束這兩大措施，而這需要大量的實(shí)驗(yàn)室管理人員并投入巨額的維護(hù)經(jīng)費(fèi)，通過在實(shí)驗(yàn)室管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以大大降低人員費(fèi)用的開支。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室管理方案

3.1 建立中央處理單元

中央處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它要能提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，在以下各個(gè)模塊間起到橋梁的作用，能將各模塊的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交換、處理、分析并反饋。通過物聯(lián)網(wǎng)及其他專業(yè)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)室中各儀器設(shè)備與中央處理單元相結(jié)合，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理員與儀器設(shè)備之間的人機(jī)互動(dòng)：管理員可對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行信息更新、維護(hù)安檢、使用預(yù)約以及過程監(jiān)控等操作；儀器設(shè)備也可向?qū)嶒?yàn)室管理員報(bào)告其實(shí)時(shí)運(yùn)作狀態(tài)、環(huán)境安全等。

3.2 建立設(shè)備管理模塊

為有需要的儀器設(shè)備安裝一個(gè)RFID標(biāo)簽，相當(dāng)于賦予每一臺(tái)設(shè)備一個(gè)“身份證”。通過讀寫裝置可以非常方便地讀取設(shè)備的詳細(xì)信息，例如，名稱、規(guī)格、型號(hào)、生產(chǎn)廠家、經(jīng)銷商等；還可以通過讀寫裝置寫入需要添加的內(nèi)容，例如，單位、實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)、注意事項(xiàng)等。

另外，設(shè)備的維修保養(yǎng)是相當(dāng)重要的一個(gè)部分，可以隨時(shí)通過中央控制單元或便攜式的讀寫裝置將設(shè)備的維修記錄詳細(xì)地標(biāo)注在RFID標(biāo)簽中，需要時(shí)便可十分快捷地獲取到維修信息，并且，通過設(shè)置中央控制單元，可定期定時(shí)地提醒管理人員對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行檢修。由于每次巡檢和維護(hù)的結(jié)果都記錄存儲(chǔ)于芯片而且這些信息是不能夠隨意更改的，這就可以避免如果出現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備相關(guān)的責(zé)任事故，不能明確人為責(zé)任還是設(shè)備責(zé)任的問題時(shí)，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備日常維護(hù)工作變得有據(jù)可查[6]。設(shè)備管理模塊大大簡(jiǎn)化了繁重的入庫和檢修工作。

3.3 建立物資管理模塊

實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行常常都伴隨著實(shí)驗(yàn)物資的大量消耗，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的物資管理模塊，通過傳感器等檢測(cè)裝置，一旦實(shí)驗(yàn)室中某種物資的存儲(chǔ)量低于系統(tǒng)設(shè)定的最低值時(shí)，該模塊將信息傳遞給中央處理單元，中央處理單元再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息至實(shí)驗(yàn)室管理員的智能手機(jī)、平板等移動(dòng)終端上，內(nèi)容包含該種存儲(chǔ)物資的剩余數(shù)量及所需數(shù)量等，以方便實(shí)驗(yàn)室管理員及時(shí)添加物資或向商家發(fā)出補(bǔ)貨訂單。

3.4 建立過程監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行需要實(shí)驗(yàn)人員的正確操作，但實(shí)驗(yàn)過程中，往往由于粗心大意等原因造成不可估量的損失，這在電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中尤為常見。大量專業(yè)知識(shí)匱乏的學(xué)生經(jīng)常會(huì)因錯(cuò)誤的操作造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，例如，過載、欠壓等。通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)者可預(yù)置必須要用到的實(shí)驗(yàn)元件，如熱繼電器，通過比較實(shí)時(shí)操作與預(yù)置的情況是否一致，該模塊一旦檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)過程中未接入該元件或連接錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開使電路無法運(yùn)行避免造成儀器損壞，并將信息反映給實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)人員，方便找到錯(cuò)誤原因且及時(shí)更正。這將大大提高儀器設(shè)備的使用壽命，省去大量的維修及購買經(jīng)費(fèi)。實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)采集并以適當(dāng)?shù)姆绞教峁┙o實(shí)驗(yàn)者，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化[7]。

3.5 建立人員監(jiān)測(cè)模塊

確保進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所人員的安全有序是實(shí)驗(yàn)室管理的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)室入口處安裝一個(gè)固定的RFID 射頻閱讀器，并給相關(guān)的師生配備一個(gè)電子標(biāo)簽(電子標(biāo)簽可進(jìn)一步設(shè)計(jì)與校園一卡通集成)，這樣一來，當(dāng)師生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，閱讀器便會(huì)非常方便地讀取該人員的基本信息，例如，姓名、學(xué)號(hào)、聯(lián)系電話等，同時(shí)相關(guān)信息也將通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至中央處理單元登記存儲(chǔ)。若需要相關(guān)考勤的記錄，便可通過中央處理單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的記錄，非常快捷的導(dǎo)出考勤表等詳細(xì)內(nèi)容，省去了大量煩瑣的簽到工作。而該模塊一旦監(jiān)測(cè)到非授權(quán)人員擅自進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，便可立即發(fā)出警報(bào)并發(fā)送信息至實(shí)驗(yàn)室管理人員的移動(dòng)終端，管理員便可第一時(shí)間采取應(yīng)對(duì)措施，這對(duì)于需要重點(diǎn)保護(hù)保密的實(shí)驗(yàn)室有非常好的效果。

3.6 建立環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

不少實(shí)驗(yàn)室對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境有著不低的要求，而環(huán)境監(jiān)測(cè)不光可以幫助實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，還可以在出現(xiàn)安全問題，如火災(zāi)、漏氣等情況時(shí)第一時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急措施。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可以安裝溫度、濕度、氣體、光電傳感器等，并與110聯(lián)網(wǎng)，通過中央處理單元的反饋，中央處理單元或?qū)嶒?yàn)人員即可做出相應(yīng)的控制。而該模塊一旦監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)火災(zāi)、漏氣等險(xiǎn)情時(shí)，中央處理單元將立即啟動(dòng)消防系統(tǒng)并報(bào)警，同時(shí)發(fā)送信息至實(shí)驗(yàn)室管理人員的移動(dòng)終端，使安全問題在第一時(shí)間得到有效控制。

4 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的模塊化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的硬件管理、人員檢測(cè)及安全監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，該系統(tǒng)可以較好地改進(jìn)高校在實(shí)驗(yàn)室管理中存在的信息化程度低、管理工作繁重復(fù)雜等問題，對(duì)于高校智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的借鑒意義。

[1]黃崢,古鵬.物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究與探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(2):191-195.

[2]朱勇,張昕明,王寧.基于射頻識(shí)別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(6):17-19.

[3]ZORAI M .From Today’s Internet of Things to a Future Internet of Things:a Wireless and Mobility Related View[J].IEEE Wireless Communications,2010,1536-1284:44-51.

[4]楊剛,沈沛意,鄭春紅，等.物聯(lián)網(wǎng)：理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010,5.

[5]徐迪威,蔡建新.物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用剖析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,47(15):229-231.

[6]魏衍亮.國外企業(yè)對(duì)醫(yī)療RFID芯片的專利化經(jīng)營及其借鑒[J].自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用,2005(3):36-37.

[7]王瑾.基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010,6(21):5741-5742.

Research on Laboratory Management Based on the Internet of Things

XU Xiaoke, CHEN Huiming,LI Yurong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In recent years, the internet of things (IOT) technology has been widespreadly concerned in the community. With a large number of implementation on the product based on the IOT, the realization of intelligent laboratory is no longer a distance. The main goal of this new laboratory management system is to achieve laboratory automation, networking, information, intelligence and real-time, greatly reducing the cost of personnel expenses, which will fundamentally change the consistent use of traditional Chinese Universities approach to managing laboratory situation. Some of the basic techniques of IOT was presented, and a laboratory management scheme based on IOT by using wireless sensor network (WSN), radio frequency identification (RFID) was simply designed.

internet of things; laboratory construction; sensor; radio frequency identification; research

2014-05-26；修改日期:2014-06-16

南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新項(xiàng)目——基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理探究。

徐曉坷(1993-),男,本科,主要從事物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室方面的工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.068