基于WSN的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)構(gòu)建

葛 磊, 張其平, 孫 強(qiáng)， 管圖華

(南通大學(xué) a.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處； b.電子信息學(xué)院,江蘇 南通 226019)

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·儀器設(shè)備供應(yīng)與管理·

基于WSN的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)構(gòu)建

葛 磊a, 張其平a, 孫 強(qiáng)b， 管圖華a

(南通大學(xué) a.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處； b.電子信息學(xué)院,江蘇 南通 226019)

分析了高校目前在大型儀器設(shè)備開放共享平臺(tái)建設(shè)中的一些問題，如有線通信方式導(dǎo)致受網(wǎng)絡(luò)布線制約大、成本高，儀器設(shè)備種類繁多導(dǎo)致儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)缺乏標(biāo)準(zhǔn)信息輸出接口，儀器終端監(jiān)控設(shè)備缺乏有效機(jī)時(shí)統(tǒng)計(jì)功能、體積龐大、不可靈活移動(dòng)等。針對這些問題提出利用多匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)運(yùn)用于大型儀器管理，設(shè)計(jì)出一套集實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、預(yù)約管理、經(jīng)費(fèi)結(jié)算為一體的智能化大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集靈活多樣、無需布線、成本低廉、對儀器設(shè)備的分布位置無要求、可滿足移動(dòng)的大型儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測等特點(diǎn)，在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究以及提高大型儀器設(shè)備的使用效益上發(fā)揮了巨大作用。

大型儀器設(shè)備； 開放共享； 多匯聚節(jié)點(diǎn)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 管理系統(tǒng)

0 引 言

隨著我校近幾年學(xué)科及博士點(diǎn)建設(shè)、中央地方共建等經(jīng)費(fèi)的大力投入，學(xué)校大型貴重儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)有了大幅增加，10萬元以上的大型儀器設(shè)備從2010年的523臺(tái)增加到2014年的826臺(tái)，40萬元以上的大型儀器設(shè)備從2010年78臺(tái)套增加到2014年145臺(tái)套，在短短的4年里翻了一番。如何提高大型儀器設(shè)備的使用效益，使人從繁瑣的大型儀器設(shè)備管理工作中解放出來，為實(shí)驗(yàn)室管理、儀器設(shè)備管理以及學(xué)校職能部門的管理人員提供一個(gè)信息化、多功能的管理平臺(tái)，為需要使用大型儀器設(shè)備的老師、學(xué)生、校外用戶提供一個(gè)方便快捷的預(yù)約結(jié)算平臺(tái)，提高智能化、科學(xué)化管理和工作效率，是目前所面臨的問題。

1 高校大型儀器開放共享管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前我校大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)功能單一，僅限于大型儀器設(shè)備信息介紹和查詢的功能，實(shí)際管理中的諸多問題未能解決，如使用機(jī)時(shí)統(tǒng)計(jì)、預(yù)約登記、績效管理、經(jīng)費(fèi)結(jié)算等，這些工作還停留在傳統(tǒng)的人工管理、紙質(zhì)登記的方式。大型儀器設(shè)備臺(tái)數(shù)大幅增加后，設(shè)備管理人員缺乏，一個(gè)人需要管理好幾臺(tái)大型儀器設(shè)備，老師工作量大大增加，管理上出現(xiàn)較多問題，如大型儀器設(shè)備不同程度存在著管理分散封閉、用戶預(yù)約使用難、大型儀器管理人員樣品來不及處理等狀況，信息形式局限于“靜態(tài)”范圍[1]，無法對設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，而且各管理部門之間缺乏有效的協(xié)調(diào)與溝通，形成“信息孤島”，不能滿足現(xiàn)代化的管理要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)部分高校已經(jīng)探索開發(fā)出了硬件和軟件共存的更加高效智能的大型儀器開放共享管理系統(tǒng)[2-13]，極大提高了高校大型儀器的使用效益和投資效益。但這些系統(tǒng)仍存在一些不足之處。

(1) 現(xiàn)行的大型儀器設(shè)備管理系統(tǒng)大多通過有線互聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣的通信方式受網(wǎng)絡(luò)布線的制約較大，沒有布線的地方需要重新布線，成本增加，而且重新布線也不利于實(shí)驗(yàn)室的美觀。同時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)的通信方式對設(shè)備的安放位置有一定要求，需要固定在某一個(gè)地方，而對于沒有固定位置的大型儀器設(shè)備無法應(yīng)用。

(2) 學(xué)校的儀器設(shè)備種類繁多，使用環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)各不相同，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的儀器運(yùn)行信息輸出接口，導(dǎo)致獲取儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息難度大，目前還沒有通過同一種技術(shù)手段獲取各類儀器設(shè)備準(zhǔn)確運(yùn)行狀態(tài)信息的方法[14]。

(3) 在儀器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中大部分應(yīng)用的是檢測工作電流的方式或者是電源監(jiān)控模式，而有些儀器需要較長的待機(jī)時(shí)間，無法有效區(qū)分機(jī)時(shí)的有效性[15]。

(4) 為獲取大型儀器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，一般都需外接一個(gè)儀器終端監(jiān)測設(shè)備[16]，這種外接設(shè)備對于經(jīng)常需要更換使用地點(diǎn)的貴重儀器設(shè)備顯然非常不方便，不具備可操作性，有些外接儀器終端監(jiān)測設(shè)備體積較大，占用了本來就不寬裕的工作空間。

(5) 開放收費(fèi)尚未實(shí)現(xiàn)與財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對接，這部分工作在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的，但是基于現(xiàn)行的學(xué)校財(cái)務(wù)和其他方面的管理制度制約，仍然需要繁瑣的程序來完成。

基于上述問題的存在，高校大型貴重儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的完善與改進(jìn)，管理手段也需要不斷的創(chuàng)新，這樣才能更好的推動(dòng)大型儀器管理體制與機(jī)制的改革，利用現(xiàn)在先進(jìn)的技術(shù)手段將人力資源從繁瑣的工作中解放出來，提高共享平臺(tái)的管理效益，最終實(shí)現(xiàn)大型儀器可持續(xù)共享。

2 基于WSN的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)的架構(gòu)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對設(shè)備管理過程的業(yè)務(wù)流程、資源共享、效益評價(jià)等各個(gè)方面產(chǎn)生了重大影響。互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)、通用分組無線業(yè)務(wù)/全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)(General Packet Radio Service/Global System for Mobile Communications，GPRS/GSM)等現(xiàn)代通信技術(shù)都為設(shè)備管理提供了更靈活的手段。

基于WSN技術(shù)的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分所組成，通過分布在現(xiàn)場中的傳感器節(jié)點(diǎn)采集大型儀器設(shè)備的相關(guān)信息，然后根據(jù)事先規(guī)定的協(xié)議，通過WSN和GPRS技術(shù)將現(xiàn)場采集的信息傳送至總控中心或分控中心的Web服務(wù)器上，眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)上發(fā)布，在傳感器網(wǎng)絡(luò)通信保持暢通的條件下，用戶端可以在校園的任何一個(gè)電腦終端或手機(jī)上獲取相關(guān)的設(shè)備信息。

2.1 硬件部分

為了保證系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸可靠性，大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)采用多匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[17]。該系統(tǒng)的硬件部分由傳感器節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心構(gòu)成，見圖1。

傳感器節(jié)點(diǎn)是直接安裝在每臺(tái)大型儀器設(shè)備上的終端節(jié)點(diǎn)，它包括一個(gè)射頻卡刷卡取電節(jié)點(diǎn)、電能測量控制節(jié)點(diǎn)和無線傳輸模塊，可以分別對電源的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行無線控制，并監(jiān)測大型儀器設(shè)備的電流狀態(tài)，判斷設(shè)備是使用狀態(tài)還是休眠狀態(tài)。一旦電流數(shù)據(jù)發(fā)生變化，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的電流數(shù)據(jù)匯總給Sink節(jié)點(diǎn)。該傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸可視距離可達(dá)到500 m，最大負(fù)載電流為10 A，電壓220 V，同時(shí)還支持13.56 M射頻卡，并具有放拆、功率、電流檢測功能。若需要監(jiān)測其他數(shù)據(jù)還可以靈活在終端安裝墻式紅外檢測節(jié)點(diǎn)、聲光報(bào)警器節(jié)點(diǎn)、開啟關(guān)閉布防節(jié)點(diǎn)、設(shè)備定位管理節(jié)點(diǎn)等，以滿足不同的管理需求。

圖1 基于WSN技術(shù)的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)

Sink節(jié)點(diǎn)將收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS發(fā)送至監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心發(fā)來的各項(xiàng)指令。對于設(shè)備較為集中的實(shí)驗(yàn)室，1個(gè)實(shí)驗(yàn)室安放1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)即可完成數(shù)據(jù)傳輸。Sink節(jié)點(diǎn)通過特定的地址編號與其通信，并可以通過軟件設(shè)計(jì)接收新加入的終端節(jié)點(diǎn)而不必調(diào)整系統(tǒng)現(xiàn)有硬件和軟件結(jié)構(gòu)。為了保證WSN數(shù)據(jù)采集的同時(shí)性，該系統(tǒng)中的時(shí)間同步以Sink節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn)，在Sink節(jié)點(diǎn)初始化后開始時(shí)間同步過程，為避免時(shí)間偏移過大，在每次復(fù)位和某個(gè)固定的時(shí)間都要進(jìn)行時(shí)間同步。

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和信息管理，并對整個(gè)WSN進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)控和隨機(jī)查詢。這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可以任意的增添、移動(dòng)和刪除終端節(jié)點(diǎn)，對終端節(jié)點(diǎn)的分布位置無任何要求。同時(shí)可以在空閑的時(shí)候啟動(dòng)對現(xiàn)場終端節(jié)點(diǎn)的重新搜索，以隨時(shí)更新現(xiàn)場終端節(jié)點(diǎn)的信息，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件自組織功能。

為了使大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)適合于該系統(tǒng)硬件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：①物理層選擇接收靈敏度高，低發(fā)射功率的射頻芯片ADF7020，并采用GFSK調(diào)制方案，工作頻率為433 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率是9.6 kb/s；②MAC層采用碰撞避免的載波偵聽多址接入技術(shù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道上其他節(jié)點(diǎn)是否在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)據(jù)在發(fā)送，則此節(jié)點(diǎn)暫時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)，延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再次監(jiān)聽信道，一旦發(fā)現(xiàn)信道空閑之后，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；③路由協(xié)議采用支持多Sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上下行異構(gòu)的路由協(xié)議[18]，上行路由可以采用基于最小跳數(shù)的路由算法，下行路由可以采用源路由策略，利用上行數(shù)據(jù)中稍帶的路由信息，構(gòu)建一個(gè)全局的下行路由表。發(fā)送下行命令只需從下行路由表中查詢路由。該協(xié)議具有魯棒性，即某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)候，能夠保證其它節(jié)點(diǎn)快速重建路由；④應(yīng)用層可以支持時(shí)間驅(qū)動(dòng)的模式采集數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)查詢命令的方式采集數(shù)據(jù)信息。

2.2 軟件模塊

軟件采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大型儀器設(shè)備的信息查詢、用戶管理、開放預(yù)約管理、經(jīng)費(fèi)使用結(jié)算、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、設(shè)備真實(shí)使用情況統(tǒng)計(jì)等功能。

考慮到技術(shù)不斷進(jìn)步和需求不斷變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)把先進(jìn)性放在首位，同時(shí)本著以人為本，著重從平臺(tái)的實(shí)用、便利、可操作性考慮，盡可能化繁為簡，使得軟件使用者(實(shí)驗(yàn)室管理部門及各學(xué)院工作人員)能切實(shí)感受到使用軟件所帶來的便利及優(yōu)勢，自發(fā)地支持與幫助軟件的開發(fā)與應(yīng)用。在考慮技術(shù)先進(jìn)性和開放性的同時(shí)，還從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)措施、系統(tǒng)管理等方面著手，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，以達(dá)到最大的平均無故障時(shí)間。在應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，充分考慮信息資源的共享，注意信息資源的保護(hù)和隔離，針對不同的應(yīng)用和不同的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，采取不同的措施，包括系統(tǒng)安全機(jī)制、數(shù)據(jù)存取的權(quán)限控制等。

軟件部分共有8大功能模塊，首頁管理、系統(tǒng)設(shè)置、中心管理、賬號管理、預(yù)約管理、儀器管理、充值管理、匯總統(tǒng)計(jì)。各功能模塊之間保證相對獨(dú)立與必要關(guān)聯(lián)，并且保證系統(tǒng)成員在同一界面下使用系統(tǒng)的所有管理功能，如圖2所示。

3 實(shí)施成效

結(jié)合我校實(shí)際情況，選取了部分學(xué)院對該套系統(tǒng)進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)具有原來的大型儀器開放共享平臺(tái)所不具備的一些優(yōu)勢。

(1) 無線組網(wǎng)通信方式相對于有線的互聯(lián)網(wǎng)無需布線，成本低廉，對儀器設(shè)備的分布位置無任何要求，可以滿足移動(dòng)的大型儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。

(2) 相對于單純的電流和電源監(jiān)控來說，這種傳感器的數(shù)據(jù)采集更加靈活多樣，可以根據(jù)不同類別儀器的各自特點(diǎn)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目，然后通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的儀器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，便于管理者對儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3) 整個(gè)系統(tǒng)的投入運(yùn)行成本較低，設(shè)備經(jīng)費(fèi)相對緊張的高校也可以實(shí)施。

(4) 傳感器體積較小，相對于現(xiàn)在的外接儀器設(shè)備終端監(jiān)測設(shè)備來說不會(huì)占用太多的空間。

(5) 這種基于無線通信的開放共享管理系統(tǒng)可以和手機(jī)終端間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊，用戶不僅可以在電腦上登錄系統(tǒng)，還可以通過手機(jī)登錄系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備的查詢與使用預(yù)約，預(yù)約結(jié)果也可以通過手機(jī)短信方式傳送到手機(jī)終端，極大的方便用戶的使用。

為了保障系統(tǒng)正常良好的運(yùn)行，在試點(diǎn)運(yùn)行的學(xué)院出臺(tái)了“大型儀器設(shè)備開放基金管理辦法”、“大型儀器設(shè)備維修基金管理辦法”、“大型儀器預(yù)約使用管理辦法”、“大型儀器對外開放收費(fèi)管理辦法”等一系列的配套管理制度。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行以來，這些學(xué)院的大型儀器設(shè)備的平均年使用機(jī)時(shí)從2011年的593 h提高到2014年的784 h。在使用過程中，我們還對系統(tǒng)及配套的管理辦法進(jìn)行不斷的完善，并得到老師的廣泛認(rèn)可，大型儀器設(shè)備的利用率和共享率明顯上升，大型儀器設(shè)備管理操作人員工作量大和預(yù)約使用困難的問題也得到有效解決。

4 結(jié) 語

利用多匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)，提出的基于WSN的大型儀器設(shè)備開放共享管理系統(tǒng)，以無線方式組網(wǎng)，結(jié)合GPRS技術(shù)，兼容性高、拓展性強(qiáng)，通用可靠性高，方式靈活，有效減少布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大，成本高和升級維護(hù)困難等問題，實(shí)現(xiàn)了大型儀器設(shè)備的信息公開、使用授權(quán)、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)約管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、績效考核與經(jīng)費(fèi)結(jié)算等功能，為實(shí)驗(yàn)者提供方便快捷的服務(wù)，也為管理者提供低成本、易于操作的無紙化管理平臺(tái)，使大型儀器資源得到充分有效的利用。

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The Construction of Opening and Sharing Usage and Management of the Large-scale Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Networks

GELeia，ZHANGQi-pinga，SUNQiangb,GUANTu-huaa

(a. Office of Lab Management and Equipment; b. School of Electronics and Information,Nantong University, Nantong 226019, China)

This paper analyzes the problems in the construction of sharing platform for the large-scale instruments, such as the restriction and high-cost of the network wiring caused by the wired communication mode, the lack of standard information output interface in the equipment’s running states caused by a wide variety of instruments, the lack of a valid using time statistic function for terminal monitoring equipment, the huge volume, the lack of flexible motion and so forth. This paper proposes to use wireless sensor network (WSN) with multiple sinks to design a set of large instruments and equipment open sharing platform which integrates real-time monitoring, intelligent alarm, remote control, intelligent appointment management, funds settlement. This system has some favorable characteristics, such as flexibility of the data acquisition, low cost, no requirement for wiring and location of the equipment, and it can meet the requirements of the large-scale equipment of mobile data acquisition and monitoring etc. The system has played a significant role in talent-development and scientific research as well as efficient utility of the large instruments and equipment.

large-scale instruments； opening usage and sharing； multi-sink nodes； wireless sensor networks； management system

2015-02-22

江蘇省高校實(shí)驗(yàn)室研究會(huì)課題(GS2012YB41)；南通大學(xué)教改課題(2012A7-01)

葛 磊(1981-)，女，江蘇南通人，碩士，助理研究員，副科長，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究、大型儀器設(shè)備管理。

Tel.: 13515201537；E-mail:ge.l@ntu.edu.cn

管圖華(1962-),男,江蘇南通人,碩士,副研究員,處長,主要研究方向:高教管理與儀器設(shè)備管理。

Tel.:13962911098;E-mail:tygth@ntu.edu.cn

TP 391；G 482

A

1006-7167(2015)11-0259-04