實驗室遠程監管系統構建與應用

李成勇，王 莎，王 樂，肖欣悅

（重慶工程學院 電子信息學院，重慶 400056）

實驗室智能化管理已成為當今實驗室建設主流趨勢，對實驗室管理提出了更高的要求。但目前仍存在一些問題急需解決，主要體現在：（1）實驗室涉及工作覆蓋面廣，參與人員多，協調管理難度大[1]。（2）使用人數大量增加，實驗室資源嚴重不足，用戶不能自由進入實驗室，不能自由使用實驗設備[2]。（3）實驗環境和實驗設備條件有限、經常出現無人使用的儀器在運行，造成資源浪費[3]。（4）高校各實驗中心的特點、內容不盡相同，獨立網站建設費時費力，難以整合，管理人員對實驗過程難以全程監控[4]。這些問題導致目前實驗室管理難度大，管理困難。

目前，很多實驗室采用了智能化的管理，但是很多方面還存在一定的缺陷，在實驗室設備使用、實驗室管理、控制等方面還存在很多問題，所以改善實驗室的監管非常重要，本文敘述了實驗室監管系統的設計、實現原理及方法。

1 遠程監管系統設計原理

該系統采用智能控制技術、網絡技術和無線通信技術，對實驗室進行智能監測管理，提供高效、準確的數據和控制。通過Arduino 2560控制無線模塊[5]、溫濕度傳感器、RFID無線射頻技術、人體紅外、煙霧傳感器及手機遠程智能控制[6]，實現全智能實驗室控制。

遠程監管系統設計框圖如圖1所示，其實現的原理及工作的全部過程為：從控制端通過傳感器采集實驗室的溫濕度、煙霧度、人體紅外探測的狀態等信息，然后發送到主控制端，經過主控制端的數據分析后，發出相應的命令，然后再從控制端進行相應的系統處理。

圖1 遠程監管系統設計框圖

2 遠程監管系統介紹

智能實驗室監管系統主要功能包括：實驗室自動化、智能化、便捷化管理；對實驗室使用情況、軟硬件設備等數據進行實時監控； OneNET平臺遠程控制實驗室設備，掌握實驗室使用情況；檢測實驗室溫濕度，并且上傳至OneNET平臺[7-8]。

智能實驗室監管系統的特點有：

（1）管理方便。管理人員在后臺即可掌握實驗室的整體情況，自動生成實驗使用記錄。

（2）提高教學質量。學生課前可以提前預習，課后進行鞏固。有利于促進教學方法的改進。

（3）提高使用率。學生或教師提前預約，預約成功后即可在預約的時間里使用實驗室，使實驗設備得到充分利用。

（4）遠程監管。管理員可以通過OneNET平臺實現遠程監控、遠程控制。

3 遠程監管系統硬件結構設計

系統硬件部分設計采用 RFID無線射頻技術作為實驗設備的標識、門禁系統以及設備使用系統；實驗室開放管理，使用一卡通經過實驗室區域的門禁刷卡，每個刷卡器都可記錄實驗室的使用情況，設計安裝紅外傳感系統檢測實驗臺使用情況、控制室內燈光開關[9]，并且與OneNET平臺相連接。系統可自動記錄實驗室用戶的考勤，自動生成實驗運行記錄，準確統計用戶使用時間。減輕實驗室人員的工作量，準確客觀地統計出實驗室及大型儀器設備的使用時間。遠程監管系統硬件結構如圖2所示。

圖2 遠程監管系統硬件結構圖

4 遠程監管系統軟件結構設計

軟件主程序主要完成對實驗室溫濕度、煙霧度以及安全狀態的檢測分析，并遠程發送給OneNET平臺存儲，通過 RFID門禁控制、人員識別[10]、儀器儀表、實時查看實驗室使用情況。軟件設計在Arduino集成開發環境下進行，根據程序流程圖的思路編寫程序。圖3為安防單元流程圖。圖4為照明單元流程圖。圖5為檢測單元流程圖。圖6為RFID控制單元流程圖。

圖3 安防單元流程圖

圖4 照明單元流程圖

圖5 檢測單元流程圖

圖6 RFID控制單元流程圖

5 實驗室遠程監管系統的應用

5.1 操作步驟

實驗室遠程監管系統是借助于OneNET平臺完成學生信息注冊、實驗室預定、實驗項目選取及預約情況查看等功能。操作步驟如下：

（1）學生注冊信息。在瀏覽器里進入OneNET平臺首頁界面。選擇“注冊/登錄”，進入界面后，點擊最下邊的“注冊”按鈕，輸入學號、姓名、所在學院等信息完成注冊。

（2）學生登錄。進入“注冊/登錄”界面，輸入注冊時的學號和姓名，選擇所在學院點擊登錄。

（3）學生預定實驗室及實驗項目。進入界面后，在實驗室列表里選擇自己需要的實驗室，同時可以點擊“實驗室詳情”按鈕查看實驗室具體情況及所開設的實驗項目。如果確定是所預約的實驗室，點擊進入實驗項目選取，進入實驗項目列表，選擇需要預約的實驗項目，選擇做實驗的時間日期，直接點擊“預約”按鈕完成預約。

（4）提交預約信息。預約完成后，點擊“提交”按鈕，就可以把預約實驗室及實驗項目相關信息發送到實驗室遠程監管系統。

（5）實驗室準備。預約時間，啟動系統，WiFi模塊能與OneNET平臺連接、WiFi模塊連接指示燈亮并且與 OneNET平臺連接成功。室內設備上傳至OneNET平臺，能通過OneNET平臺下發指令從而控制室內設備。包括實驗室開門、實驗設備通電等，顯示屏能正確顯示當前狀態，安防單元對實驗室內狀態實時進行監控，照明單元實現室內照明系統的智能化控制，人進燈亮，人走燈滅。溫濕度測試單元對室內情況進行監控，以便后臺統計，RFID對實驗室進行管理。

5.2 結果分析

本系統服務的開放實驗室及實驗項目主要包括 5個電子信息專業基礎實驗室，即電工技術實驗室、電子技術實驗室、單片機與接口技術實驗室、信號與系統實驗室及通信原理實驗室。各個實驗室所包含的實驗項目如表1所示。

5.2.1 實驗室利用率

在使用實驗室遠程監管系統前，通過對5個實驗室的使用率統計如表2所示，以一個班50人計，按要求每人都要完成實驗室任務。使用實驗室遠程監管系統通過預約完成實驗項目后的實驗室利用率如表3所示。

通過對比實驗室利用率，可以得出學生自主管理效果明顯提升，學生對實驗室項目選擇性更大，利于學習。

5.2.2 實驗室管理效率

在使用實驗室遠程監管系統前，5個實驗室均需專人管理。使用實驗室遠程監管系統通過預約完成實驗項目后的實驗室利用率得到提高。使用實驗室遠程監管系統前后的管理效率見表4。

表1 實驗項目列表

表2 使用實驗室遠程監管系統前利用率

表3 使用實驗室遠程監管系統后利用率

表4 使用實驗室遠程監管系統前后的管理效率

通過對比實驗室管理效率，可以得出實驗室自主管理效果明顯提升，系統對實驗設備情況實時控制，發現問題及時反饋，有利于設備維護。

6 結語

本文設計了一款實驗室遠程監管系統，智能化的實驗室遠程監管系統以提高使用效率、保護安全、優化實驗室管理為目的。遠程監管系統的使用，實現了實驗室的智能化、無人化管理，使用靈活方便，可實現共同管理、集中控制、節約資源、實現資源共享。