精細(xì)化試劑管理技術(shù)探究

摘 "要 "針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)試劑粗放式管理問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)試劑余量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試劑低值預(yù)警、存取試劑自動(dòng)記錄、線上遠(yuǎn)程管理、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可視化的新型教育技術(shù)裝備——智能試劑柜，從而實(shí)現(xiàn)試劑智能精細(xì)化管理，高效利用實(shí)驗(yàn)室資源，提高教師和學(xué)生的課堂效率，減輕實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人管理壓力，更加規(guī)范、安全、有序地進(jìn)行試劑管理。

關(guān)鍵詞 "試劑管理；實(shí)驗(yàn)室；化學(xué)試劑；智能試劑柜；Smart Lab

中圖分類(lèi)號(hào)：G647.6 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）11-00-05

0 "引言

實(shí)驗(yàn)室試劑管理是高校、科研院所等實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室工作的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)室試劑粗放式管理經(jīng)常會(huì)因使用者自取量過(guò)多而導(dǎo)致試劑的浪費(fèi)，還有部分試劑存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、得不到合理的使用，甚至一部分試劑不知所蹤而暗藏安全隱患從而給管理人員帶來(lái)許多麻煩。

由圖1可知，75%的試劑為師生正常實(shí)驗(yàn)所用，除去實(shí)驗(yàn)室物品存放不當(dāng)導(dǎo)致失效造成的3%的試劑損失，剩下22%的試劑損失通過(guò)試劑智能管理是可以規(guī)避的。其中，10%的試劑存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)得不到合理使用，反映了試劑采購(gòu)與管理方式過(guò)于松懈、懶散，不僅不能物盡其用，還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；10%的試劑由于學(xué)生自取量過(guò)多而造成試劑堆積剩余，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室資源嚴(yán)重浪費(fèi)；2%的試劑不知去向，威脅社會(huì)及個(gè)人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 "Lean智能試劑柜設(shè)計(jì)方案

Lean智能試劑柜是一款針對(duì)實(shí)驗(yàn)室試劑粗放式管理問(wèn)題，通過(guò)搭載RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)、壓力傳感器和中央信息處理系統(tǒng)Smart Lab，可以實(shí)現(xiàn)試劑相關(guān)信息（取用者信息、使用劑量、出入庫(kù)時(shí)間）數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（試劑余量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試劑余量低值預(yù)警、存取試劑記錄、線上遠(yuǎn)程管理）可視化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理實(shí)驗(yàn)室試劑，解決試劑管理粗放、試劑柜不智能、人員任務(wù)繁重等相關(guān)問(wèn)題，有效防止試劑丟失，避免安全隱患，有效提高相關(guān)人員管理效率，提升實(shí)驗(yàn)室智能化的新型教育技術(shù)裝備。

Lean智能試劑柜的體系如圖2所示。

2 "Lean智能試劑柜結(jié)構(gòu)及功能

2.1 "總體結(jié)構(gòu)

該試劑柜由柜體、人員識(shí)別裝置、試劑稱(chēng)重裝置、信息收集裝置和信息傳遞裝置五部分組成。試劑柜柜體尺寸為90 cm×45 cm×180 cm，采用聚丙烯（PP）材料，在80 ℃以下能耐酸、堿、鹽液及多種有機(jī)溶劑的腐蝕，滿足一般使用需求；柜體頂端裝有讀寫(xiě)器，接受物品相關(guān)信息；同時(shí)底部裝有萬(wàn)向輪，方便移動(dòng)。人員識(shí)別裝置通過(guò)人臉識(shí)別，確認(rèn)使用權(quán)限，打開(kāi)關(guān)閉柜門(mén)。試劑稱(chēng)重裝置即階梯稱(chēng)重板，內(nèi)置壓力傳感器和天線，傳遞物品相關(guān)信息。信息收集裝置是具有RFID功能的電子標(biāo)簽，具有防水、防腐、不易撕毀、不易偽造等特性，保證信息來(lái)源，安全性較高。信息傳遞裝置由天線、讀寫(xiě)器、饋線、中央信息處理系統(tǒng)Smart Lab構(gòu)成，通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)物品信息的傳遞。Lean智能試劑柜整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 "試劑信息數(shù)字化

2.2.1 "試劑取用者信息：人員識(shí)別裝置

用戶(hù)通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)匹配已錄入系統(tǒng)的人員信息，授予取用試劑權(quán)限，驗(yàn)證成功即可打開(kāi)試劑柜門(mén)。在關(guān)閉試劑柜門(mén)后，將此次開(kāi)門(mén)到關(guān)門(mén)這段時(shí)間內(nèi)的試劑重量變化記錄在該用戶(hù)的使用訂單中，方便追蹤試劑的使用種類(lèi)及克數(shù)，為實(shí)驗(yàn)室資源安全提供保障。

2.2.2 "試劑使用信息：試劑稱(chēng)重裝置

稱(chēng)重隔板設(shè)計(jì)為可活動(dòng)式，可自由調(diào)節(jié)和增減隔板個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需求；隔板形狀為階梯型，符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)，方便實(shí)驗(yàn)試劑的尋找與拿取，使實(shí)驗(yàn)試劑井井有條、一目了然。每個(gè)隔板內(nèi)含一個(gè)平板天線，實(shí)現(xiàn)天線層層覆蓋，保證射頻識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性。且在每個(gè)試劑瓶下方的隔板區(qū)域均有一個(gè)壓力傳感器感知試劑重量的變化，從而獲取試劑的取用時(shí)間以及試劑消耗量。

試劑稱(chēng)重裝置具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.3 "試劑信息傳遞裝置

通過(guò)電子標(biāo)簽（信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片里）、天線（在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)）、讀寫(xiě)器、饋線、中央信息處理系統(tǒng)Smart Lab實(shí)現(xiàn)信息的接受與傳遞，將各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的可視化[1]。

人臉識(shí)別技術(shù)獲取使用人員相關(guān)信息，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到試劑重量的變化，貼在試劑瓶上的電子標(biāo)簽收集到物品位置、壓力變化量等有關(guān)信息，在含有內(nèi)置RFID芯片的標(biāo)簽進(jìn)入柜內(nèi)閱讀器的讀寫(xiě)范圍后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息處理系統(tǒng)Smart Lab，進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理獲得對(duì)應(yīng)的訂單詳情（取用者信息、所拿取的物品、出入庫(kù)時(shí)間、使用劑量等信息）。具體流程如圖5所示。

2.3 "實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可視化：人員管理系統(tǒng)Smart Lab

該后臺(tái)中央處理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器扮演數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、處理中心、交換中心的角色。該系統(tǒng)客戶(hù)端分為電腦端和手機(jī)端App與微信小程序。教師和實(shí)驗(yàn)管理員以管理員身份登錄，申請(qǐng)使用實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生及其他人員以用戶(hù)身份登錄。相關(guān)管理人員可以通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試劑使用情況，有效掌握試劑采買(mǎi)周期，方便人員補(bǔ)充與管理試劑，避免有關(guān)試劑的丟失和浪費(fèi)，提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率。電腦端網(wǎng)站頁(yè)面如圖6、圖7所示，用戶(hù)使用界面如圖8所示。

2.4 "使用流程

Lean智能試劑柜使用流程如圖9所示。

3 "Lean智能試劑柜創(chuàng)新點(diǎn)與特色

3.1 "RFID技術(shù)的運(yùn)用

基于RFID技術(shù)，通過(guò)閱讀器與標(biāo)簽之間非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的，再通過(guò)內(nèi)置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品狀態(tài)的后臺(tái)管理與監(jiān)測(cè)[2]。

給物品貼上電子標(biāo)簽，試劑柜內(nèi)置天線和讀寫(xiě)器，通過(guò)RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試劑柜內(nèi)物品的追蹤。用戶(hù)通過(guò)人臉識(shí)別或掃碼獲得權(quán)限打開(kāi)柜門(mén)后，后臺(tái)會(huì)根據(jù)電子標(biāo)簽自動(dòng)記錄用戶(hù)拿取的物品，并在用戶(hù)償還時(shí)核對(duì)物品種類(lèi)。電子標(biāo)簽內(nèi)置RFID芯片且用熱縮管固定，具有不易撕毀、可彎曲、抗液體等特性，如被人撕毀會(huì)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，提醒后臺(tái)，有效杜絕物品被盜或丟失。同時(shí)，電子標(biāo)簽可重復(fù)讀寫(xiě)，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)備件的全壽命跟蹤[3]。

3.2 "設(shè)置壓力傳感器，精準(zhǔn)了解試劑用量

試劑柜隔板中含壓力傳感器，可自動(dòng)檢測(cè)試劑一次使用的劑量并上傳至云端，生成用戶(hù)的個(gè)人使用記錄，使用戶(hù)使用的劑量控制在應(yīng)在的范圍，讓每一克試劑都有跡可循，切實(shí)將責(zé)任追蹤到人，有效防止試劑被盜或丟失，實(shí)現(xiàn)安全檢測(cè)，避免安全隱患。

3.3 "自動(dòng)檢測(cè)物品消耗并低值預(yù)警

Lean智能試劑柜的壓力傳感器將重量變化上傳云端自動(dòng)監(jiān)測(cè)試劑余量，并根據(jù)設(shè)置進(jìn)行低值

預(yù)警。

3.4 "線上遠(yuǎn)程管理，實(shí)驗(yàn)室信息可視化

化學(xué)試劑種類(lèi)繁多、使用頻繁，以往用人工記錄的方式進(jìn)行管理，工作人員任務(wù)繁重、效率低，可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)購(gòu)置、庫(kù)存積壓、藥品變質(zhì)等相關(guān)問(wèn)題[4]。

工作人員依靠中央處理信息系統(tǒng)Smart Lab進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，及時(shí)了解物品的使用情況，積極協(xié)調(diào)物品分配或加購(gòu)。將每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的物品進(jìn)行可視化管理，使師生能夠自主預(yù)約或使用，實(shí)驗(yàn)室資源得到充分利用。擁有Smart Lab這顆云大腦的Lean智能試劑柜相比傳統(tǒng)的試劑柜更智能，操作流程仍和傳統(tǒng)試劑柜相同，只需要人臉識(shí)別或者掃碼獲取開(kāi)門(mén)權(quán)限，開(kāi)門(mén)后拿取試劑即可，不需要額外的操作步驟，在智能化的同時(shí)不增加使用者的時(shí)間成本、精力成本、體力成本，一切交給后臺(tái)系統(tǒng)的云大腦，自動(dòng)識(shí)別用戶(hù)此次拿取的物品。用戶(hù)拿取物品的類(lèi)別、劑量或數(shù)量、時(shí)間、歸還情況都會(huì)在App或網(wǎng)站的使用訂單中顯示。

3.5 "人體工學(xué)設(shè)計(jì)，更加便利

Lean智能試劑柜的隔板為梯形，使試劑一目了然，方便人員拿取。

3.6 "與傳統(tǒng)試劑柜相比，更智能

普通傳統(tǒng)試劑柜與Lean智能試劑柜的對(duì)比如表1所示。

4 "結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)科研實(shí)力的迅猛提升，在科教興國(guó)與人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的國(guó)家戰(zhàn)略大環(huán)境的帶動(dòng)下，實(shí)驗(yàn)室智能管理的需求與日俱增，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室希望在物品管理方面實(shí)現(xiàn)智能化。高校實(shí)驗(yàn)室是師生開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)與科研工作的重要場(chǎng)所，是提高科技競(jìng)爭(zhēng)力的核心力量，無(wú)論如何，實(shí)驗(yàn)室智能化是大勢(shì)所趨，也是大勢(shì)所需，而試劑智能化管理則是實(shí)現(xiàn)這一進(jìn)程的第一步[5]。

同時(shí)，化學(xué)試劑種類(lèi)繁多，由于高校人流量較大，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)較多，管理上存在一定難度，因此，做好高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)試劑的管理工作關(guān)系到高校校園的平安和諧、綠色環(huán)保[6]。

Lean智能試劑柜通過(guò)RFID技術(shù)、MEMS壓力傳

感器檢測(cè)試劑余量以及中央處理信息系統(tǒng)Smart Lab三部分，共同打造實(shí)驗(yàn)室試劑管理新體系，實(shí)現(xiàn)教育技術(shù)裝備的革新，推動(dòng)向試劑信息透明化與數(shù)字化、物品管理精細(xì)化的安全高效的實(shí)驗(yàn)室邁進(jìn)。

5 "參考文獻(xiàn)

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