摘要：傳統(tǒng)的設(shè)備管理方式對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測較為困難，無法滿足快速響應(yīng)的需要。因此，該文提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)。首先，在硬件設(shè)計方面，構(gòu)建覆蓋整個實驗室的無線傳感網(wǎng)絡(luò)；在軟件設(shè)計方面，系統(tǒng)通過各種傳感器和通信模塊獲取實驗室儀器設(shè)備的信息，并將信息整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，方便查詢和使用。其次，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對儀器設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，獲取狀態(tài)信息，通過終端設(shè)備提前預(yù)約使用特定儀器設(shè)備。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在線監(jiān)測設(shè)備儀器的狀態(tài)信息，響應(yīng)速度較快，可提高實驗室的管理效率。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；高校；實驗室；儀器設(shè)備；智慧管理系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.027

中圖分類號：TP 399 文獻標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

Intelligent Management System of University Laboratory Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Network

XIAO Yi

（Jinzhong Information College， Jinzhong 030805， China）

Abstract： Due to traditional device management methods， monitoring device status is difficult and cannot meet the needs of rapid response. Therefore， a smart management system for university laboratory equipment based on wireless sensor networks is proposed. In terms of hardware design， build a wireless sensor network that covers the entire laboratory. In terms of software design， the system obtains information about laboratory instruments and equipment through various sensors and communication modules， and integrates the information into a unified database for easy querying and use. Secondly， wireless sensor networks are used to monitor the operational status of instruments and equipment， and the obtained status information is used to pre schedule the use of specific instruments and equipment through terminal devices. The test results show that the system can monitor the status information of equipment and instruments online， with a fast response speed， and improve the management efficiency of the laboratory.

Keywords： wireless sensor network; university; laboratory; instrument and equipment; intelligent management system;

隨著科技的不斷發(fā)展，無線傳感網(wǎng)被廣泛地應(yīng)用于社會的方方面面。傳統(tǒng)的實驗室儀器設(shè)備管理方式存在著諸多問題。因此，開發(fā)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)具有顯著意義。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具備實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制等功能，使得對儀器設(shè)備的監(jiān)控不再受物理空間的限制[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和管理中心三個部分。傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的底層組成部分，負(fù)責(zé)采集實驗室內(nèi)儀器設(shè)備的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。每個傳感器節(jié)點都裝有多種傳感器，能全面監(jiān)測實驗室內(nèi)的環(huán)境狀況。傳感器節(jié)點還配備無線通信模塊，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點是系統(tǒng)中繼節(jié)點，負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)焦芾碇行腫2]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有較高的處理能力和較遠的通信距離，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3]。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，便于管理。

管理中心通常配備有高性能的計算機、大容量存儲設(shè)備和實時數(shù)據(jù)庫等，以確保系統(tǒng)能夠高效地處理大量數(shù)據(jù)[4]。在構(gòu)建基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)時，硬件選型至關(guān)重要。本系統(tǒng)硬件選型如表1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 獲取實驗室儀器設(shè)備信息

在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，通過網(wǎng)絡(luò)功能模塊獲取實驗室儀器設(shè)備相關(guān)信息。網(wǎng)絡(luò)功能模塊是系統(tǒng)中非常重要的部分，一方面，將所收到的信息傳送給上層，另一方面，利用特殊的媒體存取控制模式，將信息從上層傳送出來[5]。在Linux環(huán)境下，開發(fā)適合DM9000網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動，是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)實現(xiàn)的前提。圖1顯示的是網(wǎng)絡(luò)裝置驅(qū)動器架構(gòu)。

該系統(tǒng)擴展節(jié)點和傳感器及控制器節(jié)點間通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送，擴展節(jié)點和PC之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳送[6]。

假設(shè)實驗室預(yù)留期內(nèi)有s個時隙，將其劃分為m個子幀，每一個子幀包含l個時隙，那么，在實驗室保留期內(nèi)，通信時隙分配的計算公式為

（1）

式中，是大學(xué)實驗室預(yù)留期內(nèi)的通信時隙分配結(jié)果；是第i個預(yù)訂周期中的一個槽。在同樣的情況下，得到了在實驗室中使用時隙的分配公式。

（2）

式中，K是大學(xué)實驗室在使用時隙的分配情況；是第i個子框架的一個時間槽；是第i個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該系統(tǒng)正在與之進行通信。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)背景下，從實驗室中抽取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將其傳送到該系統(tǒng)中，并將其保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，從而獲取到實驗室儀器設(shè)備相關(guān)信息。

2.2 建立實驗室儀器設(shè)備智能數(shù)據(jù)庫

通過對實驗室通信數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建實驗室儀器設(shè)備智能化管理與控制數(shù)據(jù)庫。把有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，減少實驗資料的查詢時間。下面介紹一種智能化的實驗室儀器設(shè)備管理與控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如表2所示。

由表2可知，系統(tǒng)客戶端的各個功能模塊都相同，根據(jù)用戶的賬號進行權(quán)限判定，從而實現(xiàn)對相應(yīng)的使用權(quán)限界面的訪問。當(dāng)用戶登錄后，通過查詢相應(yīng)的字段名稱，就可以得到與實驗室有關(guān)的信息，從而縮短查詢的時間，提升整個系統(tǒng)的工作效率。

2.3 利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測儀器設(shè)備狀態(tài)

在高校實驗室儀器設(shè)備上布設(shè)溫濕度、煙霧、空氣質(zhì)量、移動、振動等傳感器，實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)焦芾碇行?。系統(tǒng)對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，通過預(yù)設(shè)的閾值或算法，判斷儀器設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異?；颦h(huán)境參數(shù)超出安全閾值范圍，系統(tǒng)自動觸發(fā)報警機制，通過聲光電等方式通知管理人員。設(shè)備監(jiān)測流程如圖2所示。

2.4 自動化預(yù)約使用儀器設(shè)備

在高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)中，通過線上自動化流程預(yù)約使用實驗室儀表裝置。學(xué)員在取得預(yù)約資格后，就可以登錄到儀器設(shè)備的預(yù)約系統(tǒng)中，操作步驟如圖3所示。

管理人員按照所提供的樣本資料及試驗條件，對所提供的樣本進行檢驗，判定其能否用于本裝置的檢驗，或者檢驗的條件是否適當(dāng)，是否超過了檢驗的范圍。

預(yù)約成功后，預(yù)約者可以在預(yù)定的時間內(nèi)到指定的位置參加檢測。各機房都由門禁管理，實驗人員可隨意進出。在預(yù)約的人進入實驗室之后，所有的儀器設(shè)備都裝有一個電力控制系統(tǒng)，在預(yù)定者登錄該系統(tǒng)之后，按下啟動鍵，該電力控制器就會為該試驗裝置或?qū)?yīng)的控制計算機提供電力，該系統(tǒng)會自動地將實際的試驗開始時間記錄下來。在完成檢測后，用戶需按下“完成”鍵，確定檢測時間，并填寫檢測樣本的實際數(shù)量。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試準(zhǔn)備

在實驗區(qū)域內(nèi)布置多個傳感器節(jié)點，與儀器設(shè)備進行連接，確保無線通信暢通。啟動智慧管理系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)的啟動時間、初始化速度和自檢過程。通過終端設(shè)備向系統(tǒng)發(fā)送儀器設(shè)備的監(jiān)測請求，并記錄響應(yīng)時間。系統(tǒng)測試環(huán)境設(shè)置如表3所示。

在測試過程中需要確保無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性以及實驗室儀器設(shè)備的配置符合系統(tǒng)運行的要求。確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會丟失或被篡改。

3.2 測試結(jié)果及分析

為驗證基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)響應(yīng)用戶請求的速度，進行了多次測試，結(jié)果如下表所示。

從表4可以看出，隨著虛擬用戶數(shù)的增多，系統(tǒng)響應(yīng)速度在逐漸變慢，但當(dāng)虛擬用戶數(shù)量達到100人時，也就是當(dāng)同時有100個用戶對系統(tǒng)進行并發(fā)操作時，實驗室A與實驗室B系統(tǒng)響應(yīng)速度分別為2.85 s和2.89 s，符合預(yù)期結(jié)果。因此，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，能夠滿足高校實驗室對儀器設(shè)備進行快速監(jiān)測和管理的需求。

4 結(jié)束語

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校實驗室儀器設(shè)備智慧管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)測、自動化和智能化管理等諸多優(yōu)勢，為高校實驗室的管理工作帶來了極大的便利。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用范圍的進一步拓展，相信該系統(tǒng)將在未來發(fā)揮出更大的作用，為高校的教學(xué)與研究工作助力。

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