物聯網架構下的高校實驗室信息化管理關鍵技術研究

張睿

(浙江大學醫學院 附屬口腔醫院， 杭州 310006)

0 引言

物聯網是隨著現代信息化產業發展而誕生的產物[1]，物聯網的興起有著必然性[2]，并且伴隨著射頻識別技術、微電子技術、傳感器技術、通信技術的技術進步而達到了快速的發展[3]。在高校實驗室里，信息化的管理已經有著十分強烈的需求，伴隨著物聯網技術的逐漸成熟，將其運用到實驗室信息化管理的事務中去，實現對實驗室內設備、環境等自動化和智能化的管理，取代原先的基于人工的管理模式，避免人工產生的錯誤，減少實驗室中繁重、復雜的工作量，使實驗室的管理趨于高效化、科學化，并且在環境要求較高的實驗室中，空氣的溫度、濕度和污染物顆粒度都是需要監控的，并且將各種信息進行匯總到數據庫中，再通過傳感器系統對整個實驗室實現實時的控制，記錄實驗室中設備的數量和人員的考勤記錄，達到適應教育改革背景下高校實驗室快速擴大后的網絡化管理。物聯網技術包含很多技術，其中的關鍵技術是射頻識別技術、無線通信技術和傳感器技術[4]。對于這些技術的研究能夠促進物聯網的發展,如圖1所示。

圖1 物聯網技術的發展

2 物聯網技術

2.1 物聯網概述

物聯網是指基于計算機互聯網技術，利用傳感器、射頻識別、GPS定位與紅外感應等將物與物、物與人聯系在一起，即萬物互聯。物聯網的三個層次，從上到下依次就是應用層、網絡層和感知層，如圖2所示。

物聯網需要具有對自然模擬信號的數據收集和采集的能力，對數據有分析和處理的能力以及有數據傳輸的無線技術。應用層上針對不同領域，尤其各自的適用場景，例如智能家居、遠程醫療等；在網絡層是基于互聯網和信息管理中心進行數據交互，感知層就是各種傳感器對物體標記電子標簽，記錄物體的屬性。

圖2 物聯網體系結構圖

2.2 物聯網的關鍵技術

目前常用的技術包含射頻識別技術、無線通信技術和傳感器技術。射頻識別技術是最重要的關鍵技術[5]，整個射頻識別技術包括電子標簽、讀寫器等，射頻識別是非接觸的識別技術[6]，讀寫器可以讀取每個物體屬性的電子標簽，查看物體當前的狀態，并且接受主機的指令，對物體進行控制操作，而電子標簽都附著在物體表面，物體的唯一標識就是電子標簽，電子標簽嵌入微型的電子芯片，內置小天線，存儲物體的信息,如表1所示。

表1 常見電子標簽封裝應用

由于電子標簽和管理系統的接口不一致，需要射頻識別中間件進行處理，作為二者的媒介，對于數據流和特征流的管理尤為重要，它的功能實現就是為了完成數據邏輯的存儲與轉發，而這些都是具有通用的標準規則。讀寫器的發展趨勢就是嵌入化、模塊化以及輕巧，便于攜帶，并且逐步豐富功能,如表2所示。

表2 常見RFID讀寫器的分類

無線通信技術所實現的功能就是“管道”的作用，依據信號覆蓋的范圍，可以分成遠距和近距兩種方式，遠距離的通信包含移動通信、衛星通信等。近距離通信技術包括WIFI、Zigbee、RFID等技術，由于網絡結構穩定，可以根據環境的干擾，實時的進行帶寬的自動調整。這些短距離通信技術在物聯網系統中獲得大范圍的使用，節省了人力的成本。其中ZigBee技術是物聯網系統中最常用的近距通信技術，其技術特點是傳輸快，傳輸數據的容量大，效率高以及傳輸延時較短。ZigBee完成的是基于服務訪問點的層與層之間的通信，訪問點的設置是基于用戶的層結構信息流的過程。它常見的4種原語如表3所示。

傳感器技術是物聯網系統的運用的入口，分析的數據都由各種各樣的傳感器收集而來，傳感器的靈敏性是其最主要的特征[7]，在使用傳感器之前需要對傳感器的穩定性和動態性測試下，防止傳感器的性能下降，影響正常的使用[8]，在實驗室環境下，溫度、濕度、氣體、加速傳感器等都是必備的。在使用期，要經常對其進行維護，避免強酸、強堿、腐蝕等情況，保證數據采集過程中的不間斷獲取信息。

表3 四種基本原語

3 系統需求分析

3.1 系統業務目標

系統實現的業務目標包括人員、設備、實驗室及其各類通信終端的互聯溝通。取代過去人工登記進出實驗室的過程，采取針對學生一卡通的刷卡式身份識別，并且利用考勤信息管理平臺收集簽到信息，對人員進行考核。同時采用物聯網技術，針對實驗室的氣體、濕度、溫度和光照等信息實時監控，避免濕度過大使設備生了銹，同時對高校實驗室的空調、燈光、窗簾、門禁進行遠程控制，并對管理信息中心的界面進行設計，完后對各種信息的查看、統計和指令下發。在軟件開發方面，在eclipse平臺上，編寫Java語言，實現業務功能，數據庫采用Mysql，通過物聯網和編程技術實現總體目標。電子標簽的存儲量大，可以完全取代現有設備的紙質標簽，紙質標簽只有設備名、使用期限等很少的信息。電子標簽則充分體現智能化，集成更多的使用方法和信息。通過集成這些信息，可以讓高校領導掌握實驗室的總體情況，降低實驗室維護的總體成本。而且在實驗室布置無死角的攝像頭，對實驗室無遺漏地監控，同時對于各個設備提供警報提示，保障安防以致減少經濟的意外損失。

3.2 系統具體需求

在針對高校實驗室的儀器管理上的需求，具體到儀器從入庫管理、使用調撥、設備管理與設備清點整個過程，人機界面設置不同的用戶級別實現智能化的操作，用戶的權限分為教師、學生與管理員，通過讀取傳感器發送過來經過處理的數據融合射頻識別的技術實現不同儀器的申請使用,如圖3所示。

圖3 實驗室管理系統主要實體E-R關系圖

對實驗室儀器設備的管理通過上層應用層通過網絡層互聯實現[9]，條用底層的感知層，采用數據庫的分析處理能力，將設備以報表的格式呈現，并與高校的教務處網對接。對儀器的處理操作包括添加、維護、調派、回收、報廢和清點。每次借用都進行使用次數的標定，完成初始化數據，以便在年度匯總時，對整體使用情況和耗損情況作出評價,如圖4所示。

圖4 儀器設備管理功能模塊圖

4 系統整體實現與測試

該系統分為四個部分，分別是瀏覽器、服務器部分，數據庫部分，物聯網網關以及物聯網節點。包含的物聯接入節點以及控制模塊。利用瀏覽器訪問服務器，服務器將控制命令轉給物聯網網關，物聯網網關將所有指令進行梳理與分發，對應指定的物聯網節點，進行控制。在物聯網系統內部，3個層次分別實現如圖5所示。

圖5 系統物聯網體系架構圖

用戶管理模塊的實現是在進入到整個物聯網系統之前用戶根據自己的身份進行登錄，經過身份驗證后，登錄到用戶界面，本系統的用戶級別分為四個等級。管理員、教師、學生、游客。

接下來是RFID的工作流程，首先打開串口設備，對其進行初始化，然后傳感器去識別物體上的電子標簽是否存在，然后登陸物體上的信息，對電子標簽選中后，激活電子標簽，通過閱讀器查閱標簽，對其密碼認證后，讀寫電子標簽的狀態信息。

將獲取到的信息與管理系統進行交換，以門禁管理為例，通過實驗室的門外NFC模塊，識別學生或教師的校園一卡通，Zigbee將識別后的信息傳遞給認證模塊，系統確認后，再將信息發給門禁的繼電器電路，然后負責電子鎖的開啟與關閉，電源電路為整體門禁模塊供電。其流程圖如圖6-圖7所示。

圖6 刷卡開門處理流程圖

圖7 遠程開門業務處理流程圖

智能燈光模塊設計的組成部分與智能門禁模塊基本相同，其結構圖如圖8所示。

圖8 遠程開門業務處理流程圖

濕度與溫度的實時監測是實驗室物聯網系統的重要組成部分[10]，通過濕度傳感器和溫度傳感器采集溫濕度，然后通過Zigbee傳輸到信息中心，傳遞到數據庫中，隨時被人訪問。其實現的結構圖如圖9所示。

圖9 溫濕度監測業務處理流程圖

由于中國這些年到冬季左右，霧霾天氣泛濫，對于實時監控實驗室PM2.5的指數是十分必要的。通過采集到的PM2.5的數據，控制空氣凈化器的開關[11]，使實驗室的環境質量達到良好以上，其實現的結構圖如圖10所示。

圖10 PM2.5監測業務處理流程圖

以上針對各個模塊的實現后，需要管理網站模塊對各個設備和物聯網終端進行刪、增處理，網站的功能組織架構如圖11所示。

圖11 物聯實驗室管理網站功能組織圖

具體的實驗室信息列表的后臺管理的代碼如下：

public String lablist() {

HttpServletRequest request = ServletActionContext.getRequest();

String bianhao = request.getParameter("bianhao");

String fuzeren = request.getParameter("fuzeren");

StringBuffer sb = new StringBuffer();

sb.append(" where ");

if (bianhao != null && !"".equals(bianhao)) {

sb.append("bianhao like '%" + bianhao + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("bianhao", bianhao);

}

if (fuzeren != null && !"".equals(fuzeren)) {

sb.append("fuzeren like '%" + fuzeren + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("fuzeren", fuzeren);

}

sb.append(" deletestatus=0 order by id desc ");

String where = sb.toString();

int currentpage = 1;

int pagesize = 10;

if (request.getParameter("pagenum") != null) {

currentpage = Integer.parseInt(request.getParameter("pagenum"));

}

int total = labDao.selectBeanCount(where.replaceAll("order by id desc", ""));

request.setAttribute("list", labDao.selectBeanList((currentpage - 1)

* pagesize, pagesize, where));

request.setAttribute("pagerinfo", Pager.getPagerNormal(total, pagesize,

currentpage, "method! Lablist", "共有" + total + "條記錄"));

request.setAttribute("url", "method! Lablist");

request.setAttribute("url2", "method! Lab");

request.setAttribute("title", "實驗室信息管理");

this.setUrl("lab/lablist.jsp");

return SUCCESS;

}

5 總結

實驗室是高校科研發展的重要地點，實驗室的建設和維護，影響到學生能否高效地利用實驗室，開發新的技術或者新的創新點。在信息化時代，本文構建了基于物聯網框架下的實驗室管理系統，著重闡述了其中的三大關鍵技術，射頻

識別技術、傳感器技術以及無線通信技術，通過實驗室中經常使用到的場景，實現了幾個模塊的設計，在深度調研后確定模塊中的電路實現與組成。分析與實現了基于JAVA的后臺管理系統，實時操作各個單元模塊，保證獨立的正常運行。在開發代碼中，沒有考慮重構，這是后面需要進一步改進的方面。