基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統

摘要：傳統的設備管理方式對設備狀態進行監測較為困難，無法滿足快速響應的需要。因此，該文提出基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統。首先，在硬件設計方面，構建覆蓋整個實驗室的無線傳感網絡；在軟件設計方面，系統通過各種傳感器和通信模塊獲取實驗室儀器設備的信息，并將信息整合到統一的數據庫中，方便查詢和使用。其次，利用無線傳感網絡對儀器設備的運行狀態進行監測，獲取狀態信息，通過終端設備提前預約使用特定儀器設備。測試結果表明，該系統可在線監測設備儀器的狀態信息，響應速度較快，可提高實驗室的管理效率。

關鍵詞：無線傳感網絡；高校；實驗室；儀器設備；智慧管理系統

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.027

中圖分類號：TP 399 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

Intelligent Management System of University Laboratory Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Network

XIAO Yi

（Jinzhong Information College， Jinzhong 030805， China）

Abstract： Due to traditional device management methods， monitoring device status is difficult and cannot meet the needs of rapid response. Therefore， a smart management system for university laboratory equipment based on wireless sensor networks is proposed. In terms of hardware design， build a wireless sensor network that covers the entire laboratory. In terms of software design， the system obtains information about laboratory instruments and equipment through various sensors and communication modules， and integrates the information into a unified database for easy querying and use. Secondly， wireless sensor networks are used to monitor the operational status of instruments and equipment， and the obtained status information is used to pre schedule the use of specific instruments and equipment through terminal devices. The test results show that the system can monitor the status information of equipment and instruments online， with a fast response speed， and improve the management efficiency of the laboratory.

Keywords： wireless sensor network; university; laboratory; instrument and equipment; intelligent management system;

隨著科技的不斷發展，無線傳感網被廣泛地應用于社會的方方面面。傳統的實驗室儀器設備管理方式存在著諸多問題。因此，開發基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統具有顯著意義。無線傳感網絡具備實時監測、數據傳輸和遠程控制等功能，使得對儀器設備的監控不再受物理空間的限制[1]。

1 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括傳感器節點、網關節點和管理中心三個部分。傳感器節點是系統的底層組成部分，負責采集實驗室內儀器設備的運行狀態和環境參數。每個傳感器節點都裝有多種傳感器，能全面監測實驗室內的環境狀況。傳感器節點還配備無線通信模塊，將采集到的數據實時傳輸到網關節點。

網關節點是系統中繼節點，負責接收傳感器節點發送的數據，并將其傳輸到管理中心[2]。網關節點具有較高的處理能力和較遠的通信距離，以保證系統的穩定性和可靠性[3]。此外，網關節點可實現與其他網絡的互聯互通，便于管理。

管理中心通常配備有高性能的計算機、大容量存儲設備和實時數據庫等，以確保系統能夠高效地處理大量數據[4]。在構建基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統時，硬件選型至關重要。本系統硬件選型如表1所示。

2 系統軟件設計

2.1 獲取實驗室儀器設備信息

在系統軟件設計方面，通過網絡功能模塊獲取實驗室儀器設備相關信息。網絡功能模塊是系統中非常重要的部分，一方面，將所收到的信息傳送給上層，另一方面，利用特殊的媒體存取控制模式，將信息從上層傳送出來[5]。在Linux環境下，開發適合DM9000網卡的網絡設備驅動，是網絡業務實現的前提。圖1顯示的是網絡裝置驅動器架構。

該系統擴展節點和傳感器及控制器節點間通過網絡進行數據傳送，擴展節點和PC之間通過串口進行數據傳送[6]。

假設實驗室預留期內有s個時隙，將其劃分為m個子幀，每一個子幀包含l個時隙，那么，在實驗室保留期內，通信時隙分配的計算公式為

（1）

式中，是大學實驗室預留期內的通信時隙分配結果；是第i個預訂周期中的一個槽。在同樣的情況下，得到了在實驗室中使用時隙的分配公式。

（2）

式中，K是大學實驗室在使用時隙的分配情況；是第i個子框架的一個時間槽；是第i個網絡節點，該系統正在與之進行通信。在無線傳感網絡背景下，從實驗室中抽取基礎數據，然后將其傳送到該系統中，并將其保存在數據庫內，從而獲取到實驗室儀器設備相關信息。

2.2 建立實驗室儀器設備智能數據庫

通過對實驗室通信數據和實驗數據的采集，構建實驗室儀器設備智能化管理與控制數據庫。把有關的實驗數據存入數據庫，減少實驗資料的查詢時間。下面介紹一種智能化的實驗室儀器設備管理與控制系統的基本結構，如表2所示。

由表2可知，系統客戶端的各個功能模塊都相同，根據用戶的賬號進行權限判定，從而實現對相應的使用權限界面的訪問。當用戶登錄后，通過查詢相應的字段名稱，就可以得到與實驗室有關的信息，從而縮短查詢的時間，提升整個系統的工作效率。

2.3 利用無線傳感網絡監測儀器設備狀態

在高校實驗室儀器設備上布設溫濕度、煙霧、空氣質量、移動、振動等傳感器，實時監測設備的運行狀態和環境參數。利用無線傳感網絡技術，將數據實時傳輸到管理中心。系統對處理后的數據進行分析，通過預設的閾值或算法，判斷儀器設備的運行狀態是否正常。一旦發現設備運行異常或環境參數超出安全閾值范圍，系統自動觸發報警機制，通過聲光電等方式通知管理人員。設備監測流程如圖2所示。

2.4 自動化預約使用儀器設備

在高校實驗室儀器設備智慧管理系統中，通過線上自動化流程預約使用實驗室儀表裝置。學員在取得預約資格后，就可以登錄到儀器設備的預約系統中，操作步驟如圖3所示。

管理人員按照所提供的樣本資料及試驗條件，對所提供的樣本進行檢驗，判定其能否用于本裝置的檢驗，或者檢驗的條件是否適當，是否超過了檢驗的范圍。

預約成功后，預約者可以在預定的時間內到指定的位置參加檢測。各機房都由門禁管理，實驗人員可隨意進出。在預約的人進入實驗室之后，所有的儀器設備都裝有一個電力控制系統，在預定者登錄該系統之后，按下啟動鍵，該電力控制器就會為該試驗裝置或對應的控制計算機提供電力，該系統會自動地將實際的試驗開始時間記錄下來。在完成檢測后，用戶需按下“完成”鍵，確定檢測時間，并填寫檢測樣本的實際數量。

3 系統測試

3.1 測試準備

在實驗區域內布置多個傳感器節點，與儀器設備進行連接，確保無線通信暢通。啟動智慧管理系統，觀察系統的啟動時間、初始化速度和自檢過程。通過終端設備向系統發送儀器設備的監測請求，并記錄響應時間。系統測試環境設置如表3所示。

在測試過程中需要確保無線傳感網絡的覆蓋范圍、網絡連接的穩定性以及實驗室儀器設備的配置符合系統運行的要求。確保數據在傳輸過程中不會丟失或被篡改。

3.2 測試結果及分析

為驗證基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統響應用戶請求的速度，進行了多次測試，結果如下表所示。

從表4可以看出，隨著虛擬用戶數的增多，系統響應速度在逐漸變慢，但當虛擬用戶數量達到100人時，也就是當同時有100個用戶對系統進行并發操作時，實驗室A與實驗室B系統響應速度分別為2.85 s和2.89 s，符合預期結果。因此，基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統具有較快的響應速度，能夠滿足高校實驗室對儀器設備進行快速監測和管理的需求。

4 結束語

基于無線傳感網絡的高校實驗室儀器設備智慧管理系統具有實時監測、自動化和智能化管理等諸多優勢，為高校實驗室的管理工作帶來了極大的便利。隨著技術的不斷進步和應用范圍的進一步拓展，相信該系統將在未來發揮出更大的作用，為高校的教學與研究工作助力。

參考文獻

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