魏志軍 楊云峰

關(guān)鍵詞： 智能實(shí)驗(yàn)室; 管理系統(tǒng); 射頻識別; 監(jiān)控系統(tǒng); Spring框架; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN915?34; TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0090?04

Design of management system for intelligent integrated laboratory

WEI Zhijun1， YANG Yunfeng2

（1. Laboratory Construction and Equipment Management Department， Sanjiang University， Nanjing 210012， China;

2. Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： In allusion to the problems that the development and application of the current intelligent integrated laboratory management system are basically blank， the relevant theoretical research is not mature enough， the practical test results are undesirable， the performance of the management system is poor， and the response time of the system are long， a design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the radio frequency identification （RFID） system is proposed and designed. The system mainly consists of two parts of hardware and software. In the hardware part design of the system， the RFID system is adopted to mark and track the laboratory equipments. The intelligent laboratory monitoring system is designed and installed to connect the management system. In the software part of the system， the compiling function of the Java language is employed， and the whole management system is established by using the current mainstream Spring framework. The experimental results show that the design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the RFID system can effectively realize management of the intelligent integrated laboratory， obtain accurate practical test result， has good system performance， and can significantly reduce the response time of the system.

Keywords： intelligent laboratory; management system; RFID; monitoring system; Spring framework; system design

0 ?引 ?言

當(dāng)今社會教育和科研事業(yè)快速發(fā)展，智能綜合實(shí)驗(yàn)室成為學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)培養(yǎng)人才和進(jìn)行科學(xué)研究的場所，受到越來越多的重視[1]，實(shí)驗(yàn)室管理也將成為對高校評估考核的重要指標(biāo)。同時(shí)智能綜合實(shí)驗(yàn)室也存在著較多的問題，政府部門和各大高校都加大了對實(shí)驗(yàn)室的投入力度，對破舊設(shè)備進(jìn)行更新，大量引入高端先進(jìn)儀器設(shè)備，高校學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室管理的工作量也大大增加，管理人員在教學(xué)的壓力下，對實(shí)驗(yàn)室的投入精力越來越少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍建設(shè)跟不上實(shí)驗(yàn)室儀器更新的速度，造成大量的設(shè)備資源閑置，得不到有效發(fā)揮[2]。為此，很多實(shí)驗(yàn)室采用了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，雖然提高了工作效率，減少了小部分手工工作，但是基本上還是以手工方式為主，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室智能自動化管理[3?4]。

文獻(xiàn)[5]提出一種基于食品安全的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。建立實(shí)驗(yàn)室的智能信息化，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目在線查詢、跟蹤和數(shù)據(jù)的采集、實(shí)驗(yàn)室人員量化考核等功能，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，但是采用該方法設(shè)計(jì)的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法的系統(tǒng)性能相對較低，響應(yīng)時(shí)間較長。文獻(xiàn)[6]提出一種基于無源UHF RFID實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法將兩個無源信息端口的射頻識別信號利用功分器將它分到4個天線上，以此獲得的實(shí)驗(yàn)室射頻能量更加均衡。但采用該方法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間過長。

為了解決上述問題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分，系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)采用射頻識別系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的標(biāo)注和跟蹤，設(shè)計(jì)安裝智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)相連接;系統(tǒng)軟件部分采用Java語言編寫功能，利用當(dāng)前主流的Spring框架來搭建整個管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法能夠有效實(shí)現(xiàn)智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理，所得到的實(shí)踐測試結(jié)果準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能較好，大幅度提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

1 ?智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

射頻識別技術(shù)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過射頻信號電磁耦合來自動識別管理對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。主要有兩種工作方式：主動式和被動式。主動的發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器和被動的從通信能量電磁波中獲取數(shù)據(jù)。

射頻識別技術(shù)系統(tǒng)主要由3部分組成，如圖1所示。

?

電子標(biāo)簽是由數(shù)據(jù)電磁信號耦合元件和芯片組成，每個標(biāo)簽都有一個相對應(yīng)的射頻識別編碼，對目標(biāo)對象進(jìn)行標(biāo)注。讀寫器是讀取標(biāo)注信息的設(shè)備。

射頻識別系統(tǒng)有3大特點(diǎn)：對每一個物體進(jìn)行標(biāo)注，而不是一類物體;對距離較遠(yuǎn)的多個物體進(jìn)行同時(shí)識別;對數(shù)據(jù)信息存儲量非常大。

本文智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)采用射頻識別系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的標(biāo)注、跟蹤和門禁系統(tǒng)，設(shè)計(jì)安裝監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)主要有以下幾大模塊，如圖2所示。

1） 智能綜合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理子系統(tǒng)

智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理子系統(tǒng)主要分為兩個方面：智能實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息維護(hù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備統(tǒng)計(jì)。

模塊的硬件部分設(shè)計(jì)采用射頻識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能綜合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的自動化，射頻識別系統(tǒng)通過相應(yīng)的接口與實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的對應(yīng)功能，模塊架構(gòu)圖如圖3所示。

該模塊主要問題是射頻識別系統(tǒng)的選擇和與智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)之間的連接問題。在射頻識別系統(tǒng)的選擇上需要考慮數(shù)據(jù)信息識別的距離、準(zhǔn)確性、安全性的問題以及與讀寫器的接口標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些要求可以考慮使用更先進(jìn)的超高頻射頻識別系統(tǒng)，射頻識別系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的接口方式有很多選擇，包括無線方式和有線方式，都是比較成熟的解決方案。

2） 智能綜合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理子系統(tǒng)

智能綜合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理子系統(tǒng)模塊是完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，主要功能為：實(shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)成績管理、對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等。該模塊是標(biāo)準(zhǔn)的智能實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，大部分功能可通過軟件系統(tǒng)表現(xiàn)出來。該系統(tǒng)必須與上述智能綜合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理子系統(tǒng)進(jìn)行對接，查詢有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新相對應(yīng)的實(shí)用狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)智能綜合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的預(yù)定管理。

3） 智能綜合實(shí)驗(yàn)室人員管理子系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室人員管理是針對開放式智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理所提出的。在智能的使用環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)室使用人員比較復(fù)雜，以往登記方式很難進(jìn)行登記管理。本文采用的射頻識別系統(tǒng)結(jié)合了人員管理模塊、實(shí)現(xiàn)有效的智能自動化的人員管理，主要功能為進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室人員登記注冊、人員信息隱私保護(hù)和權(quán)限設(shè)定管理等。

在智能綜合實(shí)驗(yàn)室硬件方面，需要在綜合實(shí)驗(yàn)室的出入門安裝固定射頻識別系統(tǒng)讀寫器，作為出入門禁，對可以隨意出入實(shí)驗(yàn)室的人員，發(fā)放電子標(biāo)簽門卡，并將這些人員信息寫入此電子標(biāo)簽門卡中，射頻識別系統(tǒng)讀寫器與人員管理子系統(tǒng)進(jìn)行連接，有效地完成電子標(biāo)簽信息的讀取和信息的寫入。該模塊實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)工作流程示意圖如圖4所示。

1.2 ?智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)軟件平臺使用Java語言編寫，能有效實(shí)現(xiàn)智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理，如圖5所示。智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)軟件功能為：

1） 用戶管理功能。主要功能是對用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室信息和用戶權(quán)限進(jìn)行管理。

2） 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)設(shè)置功能。主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室與各平臺服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換和資源共享。

3） 資源管理功能。主要功能是對實(shí)驗(yàn)室信息、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)室房間進(jìn)行管理。

4） 智能實(shí)驗(yàn)室開放管理功能。主要功能為實(shí)驗(yàn)室排隊(duì)站位、儀器審批、容易破壞儀器賠償、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約審批、收費(fèi)資金管理、培訓(xùn)管理、實(shí)驗(yàn)室工作日志。

5） 物聯(lián)管理功能。主要功能是與智能實(shí)驗(yàn)室管理控制系統(tǒng)相配合，實(shí)現(xiàn)預(yù)約審批后才可刷卡進(jìn)入，為預(yù)約實(shí)驗(yàn)儀器配置電源和儀器運(yùn)行使用提供監(jiān)控和語音提示的功能。

2 ?系統(tǒng)性能測試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性，需要對基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試。本次測試的操作系統(tǒng)為Windows 7，內(nèi)存容量為8 GB，硬盤容量為180 GB，將所提方法與基于食品安全檢測的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法和基于射頻識別系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法進(jìn)行系統(tǒng)性能對比實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果見圖6。

分析圖6a）可知，采用基于食品安全檢測的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法的系統(tǒng)性能測試結(jié)果為40%以上;分析圖6b）可知，采用基于射頻識別系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法的系統(tǒng)性能測試結(jié)果為55%以上，分析圖6c）可知，所提方法的系統(tǒng)性能測試結(jié)果為80%以上。對比3種不同方法的測試結(jié)果可知，采用所提的基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)性能最高，原因在于文中利用射頻識別系統(tǒng)和Spring框架的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理工作，大大地提高實(shí)驗(yàn)室工作效率，具有較高的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)性能。將所提出方法與基于射頻識別系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對比測試。測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)測試次數(shù)為50次時(shí)，基于射頻識別系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為32 s，所提出方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為25 s，兩種方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間相差不大;當(dāng)測試次數(shù)為100次時(shí)，基于射頻識別系統(tǒng)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為26 s，所提方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為15 s。測試結(jié)果表明，所提出方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最短。

3 ?結(jié) ?論

本文提出并設(shè)計(jì)一種基于射頻識別系統(tǒng)的智能綜合實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。其利用射頻識別系統(tǒng)的自動化設(shè)備管理和Spring靈活性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室完整的、智能自動化管理模式，降低了人員手動工作，大大提高了工作效率和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理的準(zhǔn)確性和可靠性。

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