基于二維碼的儀器設備管理信息系統設計

黃江虹，余敏建

(空軍工程大學，陜西 西安 710051)

0 引 言

高等院校擔負著培養高級技術人才和出高質量科研成果等多重任務，而實驗室承擔著繁重的實驗教學和科研任務，實驗室建設的好壞，對教學、科研和人才培養的質量將產生直接影響。高等院校實驗室建設近年來在國家和地方的大力支持下取得較大發展，各種引進和國產新型實驗器材陸續裝備到實驗室，使實驗室儀器設備在數量和質量上都有很大提高。針對儀器設備精度高、數量多等特點，如何更科學合理地管理儀器設備，充分利用儀器設備資源，使之更好地為教學、科研服務已成為當前高校儀器設備管理需要解決的問題。

文中以開發實驗室儀器設備管理信息系統為背景，探討了儀器設備管理信息系統模型的設計、系統功能的劃分以及QR二維碼生成與識別技術在儀器設備管理中的應用等問題。

1 系統概述及需求分析

儀器設備管理信息系統首先對信息進行加工和采集，從而為管理人員提供更加準確的信息，其次將這些信息通過程序進行反饋，對信息進行及時的管理[1]，實現資源利用最大化的效果。系統采用自頂向下結構化的設計方法，在局部環節使用原型法和面向對象的方法。根據高校儀器設備管理的需要，系統采用瀏覽器/服務器(B/S)的結構模式。B/S模式作為一種較為成熟的體系結構，以應用服務器為控制部件，通過瀏覽器友好的服務用戶界面提供透明的網絡服務[2]，B/S客戶端只需要裝上操作系統和瀏覽器，就可以在服務器上進行所需要的軟件開發、維護等工作，極大提高了工作效率[3]。整個系統可分為實驗室與資產部門級和實驗室級兩個級別。實驗室與資產部門級主要對儀器設備數據進行維護和管理，以及從整體的角度進行數據分析和統計。實驗室與資產部門還可實現通過智能終端進行現場數據的采集，從而檢查各實驗室儀器設備狀況，同時負責各實驗室儀器設備二維碼的打印和分發。智能終端可連接移動網絡，支持Android操作系統，通過無線網與服務器進行數據交互。實驗室與資產部門用戶登錄后具有最高操作權限。實驗室管理用戶登錄后的功能主要是對本實驗室的儀器設備數據進行維護管理。

目前，高校實驗室儀器設備管理多為人工記錄管理模式，儀器設備采用的紙質標簽內容簡單，僅包含設備型號，啟用時間，責任人信息，對于巡查設備人員指導意義不大。要了解儀器設備更多信息，需要管理員查找相關資料，或登錄系統后臺進行調閱，缺乏良好的監控與管理手段，無法有效保證巡視工作的質量與效率。另外，巡視過程中的巡查信息多為手工記錄，不能保證內容的確切和完整性，且易因為記錄的內容分散，造成資料的丟失，不利于系統中儀器設備信息的及時更新與管理。

為解決以上問題，在開發實驗室儀器設備管理信息系統的基礎上，重點研究了二維碼及智能終端的應用技術。該應用技術是在計算機應用實踐中產生和發展起來的一種自動識別技術，是為實現對信息的自動掃描而設計的，是實現快速、準確而可靠地采集數據的有效手段。二維碼技術和智能終端的應用解決了數據錄入和數據采集的“瓶頸”問題，為儀器設備管理提供了有力的技術支持。

2 系統設計

2.1 網絡設計

整個系統以實驗樓局域網和校園網為依托，系統服務器設在實驗室與資產部門，服務器直接接入校園網主干。系統用到的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲

2.2 數據庫設計

數據庫在數據庫管理系統(DBMS)下完成對儀器設備信息的存儲、檢索、更新、加工與統計等功能。數據庫是儀器設備管理信息系統的核心，能否建立一個好的數據庫，使其能夠迅速、準確地查找所需要的數據，是衡量儀器設備管理信息系統的主要指標之一。系統采用分布式數據處理技術。長期性數據和共享性數據存儲在后臺，同時后臺還存儲數據處理視圖、存儲過程、觸發器等關鍵信息；為了減輕網絡負荷、提高數據處理的高效與安全性，系統運行過程中臨時表與碼表存儲在本地，臨時表大量用于數據輸入、數據檢索和報表生成時數據的存儲，其作用主要有：減少數據傳輸量，數據修改及恢復，后臺數據與本地數據成塊傳輸，等等[4]。數據庫采用對象關系型數據庫管理系統PostgreSQL，它作為開源DBMS，在成本和安全方面有其獨特的優勢[5]，運用基于COM的ADO技術進行數據庫的連接，與傳統的數據庫訪問技術相比，該技術具有較好的靈活性和通用性，并且編程簡單，容易實現，直接對數據庫的驅動程序進行訪問，大大提高了數據庫的訪問速度[6-7]。數據庫實體關系圖及主表字段設計如圖2和表1所示。

表1 設備基本信息表

圖2 數據庫實體關系圖

2.3 功能設計

按操作權限，系統分為實驗室與資產部門軟件和實驗室級軟件。從開發角度看，實驗室級軟件是在實驗室與資產部門級軟件的基礎上稍作功能配置修改而成，分為兩個操作權限層級的軟件，不會增加開發難度。文中以實驗室與資產部門級軟件為例介紹系統各功能模塊。

儀器設備管理信息系統分為系統維護和儀器設備信息維護兩大部分，下面分別對每部分包含的功能模塊進行介紹。

2.3.1 系統維護

(1)實驗室信息維護模塊。維護實驗室的基本信息，包括實驗室的編號、實驗室名稱、實驗室所屬系、位置、負責人以及實驗室電話等信息。其中實驗室編號呈樹狀分布，父節點是系和系一級單位編號，子節點是各系所屬實驗室編號，這樣形成單位樹，從而便于管理員通過單位分類查找。

(2)標準代碼維護模塊。維護系統所需的標準代碼。系統采用標準代碼便于規范化管理，有利于防止臟數據錄入到數據庫中，有利于儀器設備信息搜索、統計等操作。

(3)操作權限維護模塊。維護各實驗室管理員的登錄名、登錄密碼以及操作權限等。通過操作權限的維護可以使各實驗室只能管理本實驗室儀器設備的相關數據。

2.3.2 儀器設備信息維護

(1)設備基本信息模塊。以單位樹的形式顯示各實驗室儀器設備的基本情況。可按儀器設備名稱、規格型號、狀況等屬性分組顯示相關信息，同時提供對儀器設備基本情況的數據查詢、數據過濾、數據排序、統計分析等功能。可以將列表中的數據導入Excel文件或直接打印列表中儀器設備的基本信息。在基本信息錄入時可進行批次錄入，錄入的數據按實驗室自動編號，同時可以錄入儀器設備供應方的相關信息。通過以上功能能夠有效、快捷、方便地對儀器設備基本信息進行管理、查詢。

(2)設備變動登記模塊。登記儀器設備變動情況，同時可對儀器設備變動信息進行查詢、過濾、排序、統計分析等。儀器設備變動記錄可以導入Excel文件，也可打印儀器設備變動的相關信息。

(3)設備修理登記模塊。登記儀器設備故障及修理情況。可分類查詢、打印、統計儀器設備故障及修理信息，也可導出相關信息的數據。

(4)檢查登記模塊。登記上級單位對實驗室檢查結果。提供查詢、統計、打印、導出數據等功能，同時在本模塊中完成系統與智能終端數據交換，使智能終端上的檢查結果數據自動錄入到數據庫中，并在該模塊中顯示檢查結果。可通過無線網連接對智能終端軟件進行設置、上傳下載數據以及數據清空等操作。

(5)打印二維碼模塊。可單條打印、全部打印、任意指定打印數據庫中儀器設備的二維碼，并提供二維碼的打印預覽。

(6)報表打印模塊。根據數據庫信息預覽、打印各種制式報表。

(7)提示欄。提示數據庫中待修的儀器設備等信息。通過設置，可以使提示欄在開機時自動運行，也可在運行系統程序時啟動。

(8)報廢設備登記模塊。提供已報廢儀器設備相關信息的查詢、打印、統計等操作。

(9)供應方信息模塊。提供儀器設備供應方信息，如供應方名稱、地址、聯系方式、負責人等，同時提供相關信息的查詢、打印等功能。

3 系統實現及測試分析

3.1 關鍵技術研究

二維碼技術最早是由日本在20世紀70年代提出的，它使用黑白矩形圖案來存儲數據[8]。目前，二維碼在許多領域應用廣泛，取決于它信息產生的獨立性，獨立于數據庫，低成本，且易制作[9]。二維碼技術是在傳統的一維條碼無法滿足應用需要的過程中發展起來的一項重要的自動化識別技術[10]。通過將儀器設備編碼并且打印二維碼標簽，將每臺實驗儀器設備都納入基于二維碼的管理信息系統中，不僅便于儀器設備跟蹤管理，也有助于提高管理效率，杜絕儀器設備無序、混亂等問題。同時，由于二維碼具有很強的保密防偽性，所以儀器設備的信息安全得到了有效保障。

目前，常見的二維碼有PDF417、QR Code、Code 49、Code 16 K、Code One等20余種[11]。其中QR(quick response)碼因其快速識讀、糾錯能力、成本低等優點被廣泛應用[12]，可使用光學識讀器(例如相機、掃描儀等)對QR碼進行識讀[13]。文中儀器設備編碼采用QR碼，作為每個儀器設備的唯一ID。

智能終端采用Android操作系統，采用SQLite數據庫。SQLite以體積小巧、快速高效、穩定可靠、移植性好等優勢成為嵌入式數據庫領域的新寵[14]，嵌入式設備是SQLite應用的主要場景，典型代表為Google的Android[15]。服務器端和智能終端數據交換格式采用XML。智能終端APP采用Java語言進行編程。

3.2 核心功能模塊實現

3.2.1 二維碼標簽生成

儀器設備的編碼采用字母和數字混合的方式，其中，前三個字母代表學校簡稱，中間兩個字母代表學院簡稱，數字從左到右的具體意義如下：第一到第二位代表實驗室；第三到第四位代表設備類型；第五位代表儀器來源；第六到第十位代表在同一實驗室中同類型設備的序號，其具體意義如圖3所示。

打印二維碼標簽不需要專用二維碼標簽打印軟件和二維碼標簽專用打印機，可使用系統中設計的二維碼標簽打印功能配合激光打印機打印，打印材料采用A4不干膠標簽紙。系統中嵌入二維碼打印功能，在打印時系統能自動錄入需要打印的信息，這樣既降低了系統成本，又使打印二維碼標簽工作簡單、快捷。源代碼中生成二維碼標簽的函數為void GenerateQRCodeLabel(CString strCode，CString strEqName，CString strEqModel，CString strLabName，CString strStartTime，CString strClg)，參數含義分別是設備ID號、設備名稱、設備規格型號、實驗室、啟用時間和單位名稱。函數實現過程是首先存儲二維碼字符串，將字符串信息轉換為二維碼信息，初始化bmp頭文件，并將二維碼數據賦值給bmp，然后畫出二維碼圖片，以及二維碼標簽的表格信息，包含設備名稱、規格型號、實驗室名稱、啟用時間等。二維碼標簽如圖3所示。

圖3 儀器設備二維碼標簽及編碼意義

3.2.2 智能終端應用程序設計與實現

智能終端應用程序主要類設計如圖4所示。

圖4 智能終端應用程序類圖

智能終端APP開發主要涉及以下內容：

(1)SQLite數據庫設計：主表字段包括儀器設備編碼、儀器設備狀況、檢查日期等。字段設計還包括設計字段的長度、類型等。

(2)APP操作界面設計：界面設計時做到方便易用，對需要手工輸入的字段作出操作提示，對檢查日期取系統時間，用戶不必再手工輸入。

智能終端的使用設計流程是智能終端與服務器通過無線網絡連接進行數據庫同步，將服務器端的儀器設備信息同步到終端的SQLite數據庫。終端APP支持二維碼掃描，通過自動解析二維碼信息，匹配數據庫中的儀器設備信息，在APP中顯示該儀器設備相關信息。通過APP界面，巡查人員可更新儀器設備狀態等巡查信息，支持APP拍照，通過圖像記錄儀器設備當前狀態，同時，儀器設備ID號與圖像存儲路徑關聯。巡查結束后，通過無線網將智能終端中更新的儀器設備信息，包括現場圖片，實時同步至服務器數據庫。APP操作界面如圖5所示。

圖5 智能終端APP操作界面

3.3 原型系統測試分析

測試環境服務器端配置為x3850 X6，CPU 1.9 GHz，內存32 G，Windows Server 2008 R2操作系統，數據庫采用PostgreSQL9.6；桌面端配置為i5CPU，內存8 G，硬盤1 T，Windows7專業版操作系統，使用VC2010對二維碼生成算法進行編輯和運行；智能終端2 G運行內存，64 G存儲內存，Andriod5.0操作系統，數據庫采用SQLite3.19。

(1)二維碼標簽打印功能。

選擇數據庫中任一或多個儀器設備，點擊打印標簽功能按鈕，系統自動根據設備ID號、設備名稱、設備規格型號、實驗室、啟用時間和單位名稱生成對應的二維碼標簽，并提供打印預覽。

測試結果表明，與原先的紙質標簽相比，通過二維碼標簽能得到更多的儀器設備信息，對巡檢人員具有較好的指導意義，減少了儀器設備資料的查詢時間。

(2)數據庫同步功能。

更新服務器端的儀器設備信息，通過無線網與智能終端數據庫進行同步，在智能終端數據庫中查看服務端已更新的儀器設備信息，顯示更新后信息，表明同步成功；更新智能終端數據庫儀器設備信息，查看服務器端數據庫，也可實現數據庫的實時同步。

測試結果表明，服務端和智能終端數據庫的實時同步，避免了先手工記錄，然后錄入系統的弊端，提高了儀器設備信息更新的及時性與準確性。

(3)智能終端APP應用功能。

打開智能終端APP，通過掃碼功能掃描儀器設備二維碼標簽，在APP界面顯示數據庫中該儀器設備相關信息，在操作界面可對信息進行補充或更新，可拍照記錄儀器設備狀態，點擊“保存”按鈕更新儀器設備信息至數據庫。

測試結果表明，智能終端APP的應用方便了儀器設備信息的采集和錄入，保證了日常巡視及定期檢查工作的質量和效率，解決了儀器設備管理低效的問題，提高了儀器設備管理水平。

4 結束語

針對目前高校實驗室儀器設備管理中的實際問題，在對儀器設備管理信息系統的結構模型、網絡和數據庫設計、功能模塊進行分析的基礎上，提出了一種基于二維碼和智能終端的儀器設備管理方法，實現了儀器設備管理工作的標準化、智能化，強化了全過程管控，有效提高了儀器設備管理工作的質量和效率，是實驗室儀器設備管理信息系統的一次重要升級。