基于物聯網的實驗室設備追溯系統研究

盧民榮，劉林真，張正柱，許鄧艷

(1.福建江夏學院 會計學院，福建 福州 350108；2.陽光學院，福建 福州 350116；

3.福建工程學院 軟件學院，福建 福州 350001)

基于物聯網的實驗室設備追溯系統研究

盧民榮1，劉林真2，張正柱3，許鄧艷3

(1.福建江夏學院 會計學院，福建 福州 350108；2.陽光學院，福建 福州 350116；

3.福建工程學院 軟件學院，福建 福州 350001)

摘要：在分析研究物聯網技術和追溯系統特點的基礎上，針對高校實驗室設備管理現狀，設計了一種設備追溯編碼方案，該方案引入RFID、GPS和WIFI關鍵技術來管理實驗室設備，實現設備從采購、使用、維護、報廢等全過程信息記錄和位置跟蹤。該系統的實施能有效提升安全防衛能力，優化設備盤點流程，結合排課系統可全面提升實驗室智能化管理程度。最后，分析了該系統可能帶來的相關影響。

關鍵詞：物聯網；追溯系統；RFID；實驗室設備；智能管理

中圖分類號：TP391.44

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)06-0052-07

收稿日期：2015-03-03

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目(JA13366)；福建江夏學院教育教學改革重點資助項目(J2014A003)

作者簡介：盧民榮(1981-)，男，福建漳州人，福建江夏學院會計學院講師，碩士。

隨著我國高等教育事業迅速發展，高等學校辦學規模不斷擴大，高校人才培養目標更加注重應用型人才培養。實驗室作為高校培養學生實踐能力的重要場所，其建設和管理水平對高校的發展中有著十分重要的作用[1-2]。高校為了滿足教學與科研的需要，投入大量經費建設眾多實驗室，購置大量教學科研儀器設備，使得實驗室設備資產的種類和數量大幅增加，迅速提高了實驗教學的質量水平。與此同時，為了提高設備利用率和響應實驗室共享政策，實驗室設備管理越來越復雜，所面臨的安全和資產問題越來越多。目前，實驗室設備安全方面問題主要有[3-5]：未經許可將實驗室儀器設備私自帶離實驗室，導致實驗室設備丟失；學生惡意拆除設備配件影響設備完好率；實驗室之間設備共享或借還手續不全，導致資產盤點賬目不對應；實驗設備器材經常被外借和私自挪用，歸還不及時，影響了正常實驗教學；小件高價值的設備遺失很難尋回，維修記錄不詳導致設備運行質量無法保證；一些不法分子將儀器盜走等違法事件一般很難通過傳統的手工管理發現和查明。上述問題不僅影響了實驗教學，也損害了學校和國家的利益。目前高校的資產管理普遍采用傳統管理方式[6]，如采用資產設備卡片或者紙制編號標簽。這種管理方式局限于設備的分類管理，對實驗室設備安全起到的作用比較小。隨著虛擬技術日趨成熟，虛擬實驗室建設越來越多，其計算機軟硬件價值尤其是服務器成本都比較高，對這類設備實施安全管理尤為重要。因此，有必要使用現代化技術手段改進目前的實驗室設備安全管理。

本文主要針對實驗室設備安全問題進行探討，運用物聯網技術進行實驗室設備安全管理，通過使用射頻識別技術，設計適用于高校實驗室設備的追溯系統。

1主要技術解決方案

1.1物聯網

劉林真(1981-)，女，福建福州人，陽光學院講師，碩士。

物聯網(The Internet of Things，IoT)直譯為互聯網上的物品，是指物品能夠通過全球定位系統(Global Positioning System，GPS)、射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)等信息傳感設備與互聯網連接起來，進行物品的定位、跟蹤和監控，以實現智能化管理的一種新型網絡[7]。物聯網可以使用有線或無線的方式把任何物品連接起來，目前國內大部分高校都部署了Wi-Fi無線局域網，實驗室基本都有接入Internet或校園網絡的設備，為物聯網技術在高校中的應用提供了便利。物聯網從技術架構層面可分為感知層、網絡層和應用層[8]。本文所設計的基于物聯網的實驗室追溯系統的技術架構如圖1所示。在感知層上利用RFID技術獲取實驗室設備信息，對于重點設備和容易拆解的設備具體管理到設備的配件。在網絡層上利用Wi-Fi無線局域網與學校信息中心連接，并根據需要與互聯網連接，使實驗室設備及配件的信息能夠實時與計算機系統通信。本文重點在應用層上研究實驗室追溯系統，該層主要利用云計算、模糊識別、追溯設計等各種智能化技術手段，對實驗室設備及配件信息進行分析和處理，從而實現對其定位、跟蹤、監控及智能化管理等功能。

圖1　實驗室追溯系統的技術架構

1.2RFID技術

RFID是一種通過射頻信號自動地識別目標對象，實現數據智能、快速采集，并自動傳輸到計算機中的通信技術。該技術與互聯網技術結合，能夠快速實現物品的定位、追蹤和管理。按照應用頻率可分為低頻、高頻、超高頻、微波等[9-10]。本系統使用的RFID技術主要硬件包括電子標簽、讀寫器、傳遞射頻信號的天線，根據實驗室設備特殊性在追溯系統中進行設計。

(1)電子標簽設計。實驗室管理人員、教師和學生采用被動讀取方式的電子標簽進出實驗室，該電子標簽登記了人員主要信息，并從教學時間上與教務系統關聯。通過感應設備讀取進出人員信息，系統可以感知實驗室進出人員是否有異常，并盡可能與一些重大實驗設備產生關聯，在計算機類實驗室的計算機與學生之間建立一一對應關系。實驗設備包括配件進出實驗室或實驗室總出口采用主動和被動相結合的讀取方式，具有標簽定位功能。電子標簽登記了設備主要信息，與隸屬實驗室、管理人員、資產編號直接關聯，在使用過程中及時更新設備狀態，反饋使用信息，在維修過程中登記維修狀況，為追溯系統提供從設備采購、使用、維修直至報廢等整個環節的信息。

(2)讀寫器。RFID 讀寫器不僅為電子標簽提供能量和讀取電子標簽信息，而且在傳統的只讀功能上增加了寫功能[11]。本文設計的追溯系統采用兩種讀寫器，一種面向人員信息的讀取，即價格比較低廉的閱讀器，另一種是集傳送器、接收器和微處理器于一體的讀寫器，方便實時接收實驗設備(含配件)的移動、進出信息，并與計算機通信，實現實時數據分析與處理。

(3)天線。天線主要負責標簽和讀寫器之間的信號傳遞。為了節約成本，本系統采用價格比較低且技術比較成熟的低頻和高頻射頻信號傳遞相結合的方式，低頻天線主要用于控制人員的進出，而高頻天線主要用于控制設備的進出。具體RFID追溯系統工作原理如圖2所示。

圖2　RFID追溯系統工作原理

2追溯系統分析與設計

追溯系統在國際標準化組織中的定義屬于實物范疇，是為了實施追溯體系制定的目標而應用的工具以及硬件設施，在生產和流通的各個環節中具有跟蹤和溯源兩個基本能力。從2000年開始，我國積極開展食品可追溯技術及相關系統研究，目前在畜禽產品、蔬果和糧油產品等方面的應用研究比較廣泛[12]。通過追溯管理系統設定實驗室、設備管理位置，突出監測功能，實時監控人員進出、實驗設備定位、設備尋回，用于解決實驗室設備從采購到報廢整個過程中的安全問題，防止實驗設備或配件未經許可被私自帶離實驗室，加強維修智能建賬工作，提升實驗設備資產盤點便捷性和準確性，有效解決因實驗室設備共享導致資產盤點賬目不一致等設備管理問題，減少高危、化學等實驗室的安全隱患。

2.1追溯系統關鍵需求分析

本文追溯系統主要圍繞電子標簽設計、身份驗證、設備監測、設備及配件追溯等關鍵功能實現設備安全管理，各個關鍵功能具體需求如下：

(1)電子標簽設計。系統需要分別對教師、學生、實驗室工作者等人員進行信息初始化，將工號、學號等作為標簽生成的依據；設備按資產編碼結合實驗室具體設備、配件特點規劃標簽編碼，確保人和物的唯一性，結合教務系統的排課信息和實驗室維修情況為人員、設備進出實驗室做好監測的基礎數據服務。電子標簽設計編碼詳見追溯編碼方案。

(2)身份驗證。人員驗證、設備的進出、對非法和非正常使用時間進行特殊管理，并根據實驗室設備與物品的重要性、危險性和價值大小分級管理。對于重要實驗室或高危實驗室，嚴格限制人員和設備的進出。通過驗證虛擬實驗室資源使用的合法性，擴展對實驗室的教學監督功能。

(3)設備監測。主要包括設備位置監測、進出監測，運用三維地圖的方式規劃實驗室地理位置，并對實驗室內部使用平面圖設計確定設備位置，設定X、Y、Z坐標及正常偏離指數，部分設備不允許移動則不能設置偏離指數。

(4)設備及配件追溯。設備在實際使用和維護過程中，有的會因共享、借用等原因搬離原位置，有的會因維修、損壞后替換重要配件或配件轉移到另一設備中。根據設備的電子標簽，不僅可以迅速獲得采購者、使用者、維護者、報廢者等一系列相關經手人的信息，而且能得到設備規格型號、價值、生產日期、廠商以及維修方、維修記錄等設備信息。

(5)設備安全管理。通過設備進出實時檢測和系統定期自檢，結合不定期手工檢測設備位置，對于異常信息設置提醒和報警功能。對于高危設備、重點設備、位置不可偏離設備等采用實時檢測，通過天線和Wi-Fi實時傳輸位置信息到計算機系統中，發生異常立即發出警報。

(6)貴重資產定位管理。對于價值比較高的大件設備(如虛擬實驗室中服務器)和小件高價值的設備(如某些軟件的加密狗)等進行定位管理，以減少遺失，方便人工查找，對異常使用這些貴重資源進行有效監督和控制。

2.2追溯編碼方案

追溯編碼方案按筆者所在學校資產管理和人員編碼規則進行分類設計。一類是人員信息編碼，采用全部數字的EAN-13編碼方式(如果原始數字為12位則第13位會自動添加)，教師工號和學生學號均為13位，如表1所示。另一類是設備信息編碼(含配件編碼)，這種編碼總體上依據國內高校實驗室信息統計代碼表進行編制。由于位數比較長，且部分編碼包含字母，因此本文采用支持數字、字母的code-39編碼方案，具體編碼規則如表2所示。

表1　人員信息編碼表

表2　實驗室設備信息編碼表

2.3下位機設計

當教師、工作人員、學生等進入實驗室讀寫器的感應區域時，讀寫器能快速讀取電子標簽的身份信息，實時傳輸到計算機中，通過追溯系統進行身份驗證，并將處理結果反饋回來。如果是不合法進入實驗室將產生報警信號，其讀寫操作流程如圖3所示。實驗室設備或重要配件進出實驗室均需要經系統識別合法性，帶出實驗室的設備均需要經辦人使用個人電子標簽進行感應識別，在大樓進出口處對于不合法帶出能提示保安，其感應流程和工作原理與標簽讀寫基本相同。

圖3　RFID人員標簽讀寫流程

追溯系統中對于高價值的小件設備均配備遺失定位和尋回處理功能，通過Wi-Fi技術和無線定位系統，根據具體實驗室或逐個實驗室啟動讀寫器，實驗室設備中電子標簽進入讀寫器的工作區時，可定時向讀寫器發送信號，以便計算機系統進行定位處理，從而滿足尋回要求，方便人工查找和核對，其具體的讀寫操作流程如圖4所示。

圖4　RFID設備定位操作流程

3追溯系統在實驗室設備管理中的應用

本追溯系統使用C/S模式開發，采用Visual Studio 2013作為開發平臺，結合C#語言、XML半結構化數據存儲和Windows窗體設計技術進行實現。

3.1智能卡檢測管理

通過智能卡檢測，追溯系統可以對人員信息、設備信息、實驗室使用情況等進行智能管理，將實驗室及設備使用記錄與相關人員進行關聯，實時跟蹤和記錄實驗室設備使用情況。當電子標簽進入讀寫器的感應區域時，讀寫器初始化串口，讀取電子標簽信息，并實時傳輸到計算機系統中。不同功能模塊對標簽信息的處理各有不同，其讀取數據驗證方法基本一致。如果讀取數據串為空或讀取字節范圍為零均表示未獲得數據。為防止計算機在處理線程時速度過快而遺漏串口數據，一般會在循環讀數時讓線程暫緩取數，其通用讀取數據的核心代碼如下：

while (_SerialPort.IsOpen && bThreadStart)

{//當串口初始化后處于打開狀態且開啟線程

if (_SerialPort.BytesToRead > 0)

{//清除線程數據包緩存,并讀取串口數據

Array.Clear(_ThreadBuf, 0, _ThreadBuf.Length);

_BufSize = _SerialPort.Read(_ThreadBuf, 0, _ThreadBuf.Length);

string strData = ByteArrayToHexString(_ThreadBuf);

//如果讀不到數據則返回

if (_BufSize == 0 || strData == string.Empty) return;

if (ReadEventHandler != null) ReadEventHandler(strData);

}

Thread.Sleep(300);//防止線程處理過快遺漏串口數據

}

本追溯系統正常讀取時會記錄人員的進出時間信息。對于異常情況，追溯系統會記錄到日志文件中。例如，如果信息讀取有誤或失敗，則提醒需要重新感應；如卡狀態不符合實驗室要求或不合法進入實驗室將產生報警信號。這些信息將全部記錄到日志文件并記錄到該智能卡的使用記錄中，其記錄結果如圖5所示。

圖5　追溯系統電子標簽讀取記錄

3.2設備追溯管理

本追溯系統要求設備在購買時將錄入設備相關屬性(如設備名稱、規格型號、生產廠家、生產日期、采購價格、維修聯系方式等)，經檢驗合格后投入相關實驗室并粘貼電子標簽，記錄其具體物理位置和啟用時間，在實驗室教學或科研等使用過程中，均通過排課系統、門禁感應等自動記錄其詳細的使用記錄，對工作人員出入實驗室要求填寫維護記錄，保證設備以時間軸為單位進行隨時追溯，同時對其他相關記錄，如維修、借還、搬遷等均通過工作人員填寫相關記錄。

(1)向后追溯。通過設備編號可以查找該設備的采購經辦人、采購時間、設備生產廠家、生產日期等，通過查詢設備投入實驗室記錄，可以了解設備服務場所以及對應實驗室的上課相關記錄和工作人員的檢查記錄，根據設備使用情況可以關聯到維修信息，方便了解維修進度和維修情況。通過定位系統將重要設備進行位置監管，實現設備信息的全面、全程跟蹤，如位置信息發生變化，則隨時記錄并反饋給相關工作人員能有效防盜。當設備損壞時，可根據使用記錄追蹤到相關責任人并根據損壞情況追究相關責任等。

(2)向前追溯。系統可以根據實驗室編號和排課系統預先了解相關設備的未來使用情況，通過維修編號可以獲得實時的維修數據，以便協調設備使用。教師、學生、工作人員均按系統規定對設備使用、檢查進行標識，可以讓下次使用者方便地獲取該設備的運轉情況，以供使用者參考和工作人員維護。實驗室設備以實驗室為中心進行追溯，將所有與實驗室相關的記錄進行登記和關聯，其信息的關聯情況如圖6所示。

3.3實驗室設備智能盤查

目前，我國高校的實驗室智能化管理程度仍然較低，實驗室設備種類繁雜，專業性強，而且實驗室常處于教學或科研使用之中，傳統的現場盤點方式很難實現準確的設備盤查，給資產盤點帶來諸多困難。通過追溯系統中實驗室設備信息的定位檢測功能，資產管理部門對實驗室進行盤查時不需要實驗室專業人員陪同，不僅可以快速地完成盤點工作，而且能減少人為盤點錯誤。設備智能盤查功能通過定位技術進行有效、快速的盤點，在盤點時使用移動式感應設備對粘貼在設備上電子標簽進行感應，結合設備信息庫能有效防止信息不符，尤其對專業性比較強、相似度高、不易辨認等設備非常有效。實驗室設備智能盤點流程如圖7所示。

圖6　實驗室設備追溯關聯

圖7　實驗室智能盤點流程

不同設備電子標簽信息在實驗室設備智能盤查過程中需要分別處理，系統首先從設備上的電子標簽獲取設備信息，再發送到設備信息庫中進行匹配，直至實驗室中每個設備核查完成，對未完成盤點的設備均有防遺漏檢測提醒，其智能感應的核心代碼如下：

public VerifyCode InduceCard(string CardNum)

{

if (!_Active) return VerifyCode.DeviceNoOpen;

System.IO.Ports.SerialPort SP = new System.IO.Ports.SerialPort();

try {

byte[]sendData = new byte[]{0xFE,0x05,0x10,0x52,0x92,0x34};

//發送感應命令

SP.Write(sendData, 0, sendData.Length);

//接收感應信息

byte[]receiveData = GetPortStream(7);

int nStart = FindArray(receiveData,new byte[]{0x07,0x10},0,receiveData.Length);

//分析傳遞數據包，根據不同電子標簽返回

if (nStart < 0) return VerifyCode.Datadelay;

if (receiveData.Length < 7) return VerifyCode.PacketLoss;

bool isVerification = Decomposition(receiveData, 0, receiveData.Length);

if (!isVerification) return VerifyCode.IsVerification;

//根據不同設備信息產生不同的對比結果

if (receiveData[2] == 0x00) {

byte[]cardType = new byte[2] ;

Array.Copy(receiveData, 3, CardNum, 0, 2);

CardNum = ByteArrayToHexString(cardType);

return VerifyCode.Success; }

else if (receiveData[2] == 0xFF) return VerifyCode.Fail;

}

catch

{ return VerifyCode.Abnormal; }

}

4追溯系統相關影響

(1)追溯過程記錄。追溯效果的優劣很大程度上取決于其追溯過程記錄的完整性，包括從設備采購、使用直到報廢等全過程的記錄。首先，設備在采購時就要開始建立設備基本信息，包括生產廠商、售后服務和使用注意事項。為了保證數據采集，需要與采購辦協調統一接口或按批次、產品系列等輔助信息歸集，采購到位后要對設備進行編碼設計、打印和粘貼電子標簽，而且這個標簽將伴隨該設備使用、維修直到報廢的整個過程。在使用過程中，主要通過實驗室排課、智能門禁卡感應等自動產生使用記錄，而日常工作檢查、維修和借還等操作則需要做好數據錄入的輔助工作。另外，在出現設備轉移、長期閑置、調整實驗室等其他情況時，則需要工作人員按照追溯規則對其實施相應的信息記錄，為設備追溯提供了記錄依據，這些均需要系統外圍輔助實現。

(2)虛擬實驗室影響。隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗室建設越來越多，虛擬實驗在實驗教學中的作用也逐漸得到人們認可，而結合物聯網技術設計的多媒體教室實驗室，不僅產生了智慧教室和智慧實驗室概念[13]，也出現了實驗室智能化系統。虛擬實驗室對計算機軟硬件要求均比較高，建設投入經費比較大，追溯系統對虛擬實驗室的硬件管理起到了很大的保護作用，但對虛擬教學軟件仍然停留在使用軟件加密狗綁定電子標簽進行定位管理的水平，為了防止服務授權外泄或未經許可擅自使用，追溯系統還需要對校園網進行管理，但這對高校之間的虛擬實驗室共享起到了阻礙作用。

(3)經濟效益分析。追溯系統的建設需要計算機軟件、物聯網設備投入，物聯網技術在生產企業、使用單位和售后服務較難形成統一的軟硬件服務，追溯系統中數據重復采集，在日常信息維護中一定程度上也增加了數據維護成本。物聯網技術在實驗室的應用確實能減少設備或配件丟失、降低資產盤點的復雜性，有效提升實驗室管理智能化程度，隨著高校的實驗室規模越來越大，從長遠出發，其物聯網技術應用的經濟效益是可觀的。

5結語

在高校實驗室的設備管理中，追溯系統確實能提高實驗室設備安全管理和盤點效率，促進實驗室智能化管理。由于物聯網應用尚未廣泛普及，對于高校外圍相關單位的物聯網應用程度仍然有待接口統一，以減少追溯系統中數據采集的工作量。另外，有些特殊實驗室設備，在使用過程中受到溫度、濕度的影響，電子標簽的使用壽命和靈敏度有待進一步提高。為了全面提升實驗室智能化管理程度，仍然需要對物聯網中各種傳感器進行研究。

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(責任編輯：張凱兵)