基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理探究

徐曉坷，陳惠明，李玉榮

(南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，南京 210037)

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理探究

徐曉坷，陳惠明，李玉榮

(南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，南京 210037)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來受到了社會各界的廣泛關(guān)注，隨著物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)品的大量實現(xiàn)，智能實驗室的實現(xiàn)也不再遙遠。這種新型實驗室管理系統(tǒng)的最主要目標就是實現(xiàn)實驗室的自動化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化和實時化，大大降低了人員費用的開支，這將從根本上改變我國高校一貫運用傳統(tǒng)的方法來管理實驗室的局面。該文提出了一些物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)，并利用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)、射頻識別技術(shù)等簡單設計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理方案。

物聯(lián)網(wǎng)；實驗室建設；傳感器；RFID芯片；探究

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”這一物聯(lián)網(wǎng)建設議題以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連同其在各個領(lǐng)域的應用受到了人們越來越廣泛的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)，被譽為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后的又一次信息化產(chǎn)業(yè)的浪潮。作為互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)等應用的增長點，將會大大促進信息化的應用，不僅僅可以提高經(jīng)濟效益，還可以為國家的經(jīng)濟發(fā)展提供技術(shù)動力，為產(chǎn)業(yè)行業(yè)開拓了又一潛力無窮的發(fā)展機會。隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)涉及各類產(chǎn)業(yè)和人們生活的方方面面，將大大提升互聯(lián)和智能方面的特性，使實現(xiàn)智慧地球的夢想成為可能[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實驗室管理中的應用，綜合運用了現(xiàn)均已趨成熟的RFID、WSN技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)等知識，將實驗室中的所有物品，包括儀器設備、辦公用品、實驗耗材、實驗環(huán)境、實驗人員等，與網(wǎng)絡連接起來、與移動信息網(wǎng)連接起來，真正實現(xiàn)實時的遠程控制，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新時代必將為人們帶來生活上、工作上的全新體驗[3]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)是指通過RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，以有線或無線的方式把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以計算、存儲、分析等處理方式構(gòu)成所關(guān)心事物的動態(tài)和靜態(tài)的信息知識網(wǎng)絡，用以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[4]。

物聯(lián)網(wǎng)的用途非常廣泛，遍及城市管理、數(shù)字家庭、定位導航、現(xiàn)代物流管理、食品安全控制、零售、數(shù)字醫(yī)療、防入侵系統(tǒng)[5]等諸多的領(lǐng)域。

2 高校實驗室管理現(xiàn)狀

高校實驗室管理目標可以分為安全性、高效性、精確性、經(jīng)濟性、便捷性等。目前，高校實驗室管理最常用的方法還是主要依賴于相關(guān)實驗管理人員的定點管理以及實驗室制度規(guī)章的硬性約束這兩大措施，而這需要大量的實驗室管理人員并投入巨額的維護經(jīng)費，通過在實驗室管理中應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以大大降低人員費用的開支。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實驗室管理方案

3.1 建立中央處理單元

中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，它要能提供強大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，在以下各個模塊間起到橋梁的作用，能將各模塊的信息進行實時交換、處理、分析并反饋。通過物聯(lián)網(wǎng)及其他專業(yè)技術(shù)將實驗室中各儀器設備與中央處理單元相結(jié)合，便可實現(xiàn)實驗室管理員與儀器設備之間的人機互動：管理員可對儀器設備進行信息更新、維護安檢、使用預約以及過程監(jiān)控等操作；儀器設備也可向?qū)嶒炇夜芾韱T報告其實時運作狀態(tài)、環(huán)境安全等。

3.2 建立設備管理模塊

為有需要的儀器設備安裝一個RFID標簽，相當于賦予每一臺設備一個“身份證”。通過讀寫裝置可以非常方便地讀取設備的詳細信息，例如，名稱、規(guī)格、型號、生產(chǎn)廠家、經(jīng)銷商等；還可以通過讀寫裝置寫入需要添加的內(nèi)容，例如，單位、實驗室地點、注意事項等。

另外，設備的維修保養(yǎng)是相當重要的一個部分，可以隨時通過中央控制單元或便攜式的讀寫裝置將設備的維修記錄詳細地標注在RFID標簽中，需要時便可十分快捷地獲取到維修信息，并且，通過設置中央控制單元，可定期定時地提醒管理人員對儀器設備進行檢修。由于每次巡檢和維護的結(jié)果都記錄存儲于芯片而且這些信息是不能夠隨意更改的，這就可以避免如果出現(xiàn)和實驗設備相關(guān)的責任事故，不能明確人為責任還是設備責任的問題時，使實驗設備日常維護工作變得有據(jù)可查[6]。設備管理模塊大大簡化了繁重的入庫和檢修工作。

3.3 建立物資管理模塊

實驗的進行常常都伴隨著實驗物資的大量消耗，通過設計相應的物資管理模塊，通過傳感器等檢測裝置，一旦實驗室中某種物資的存儲量低于系統(tǒng)設定的最低值時，該模塊將信息傳遞給中央處理單元，中央處理單元再通過移動網(wǎng)絡發(fā)送信息至實驗室管理員的智能手機、平板等移動終端上，內(nèi)容包含該種存儲物資的剩余數(shù)量及所需數(shù)量等，以方便實驗室管理員及時添加物資或向商家發(fā)出補貨訂單。

3.4 建立過程監(jiān)測模塊

實驗的順利進行需要實驗人員的正確操作，但實驗過程中，往往由于粗心大意等原因造成不可估量的損失，這在電子教學實驗室中尤為常見。大量專業(yè)知識匱乏的學生經(jīng)常會因錯誤的操作造成實驗儀器的損壞，例如，過載、欠壓等。通過實驗監(jiān)測模塊，實驗指導者可預置必須要用到的實驗元件，如熱繼電器，通過比較實時操作與預置的情況是否一致，該模塊一旦檢測到實驗人員在實驗過程中未接入該元件或連接錯誤時，會自動斷開使電路無法運行避免造成儀器損壞，并將信息反映給實驗指導人員，方便找到錯誤原因且及時更正。這將大大提高儀器設備的使用壽命，省去大量的維修及購買經(jīng)費。實驗過程數(shù)據(jù)可以被實時采集并以適當?shù)姆绞教峁┙o實驗者，實現(xiàn)實驗教學的數(shù)字化、網(wǎng)絡化與智能化[7]。

3.5 建立人員監(jiān)測模塊

確保進入實驗場所人員的安全有序是實驗室管理的重要環(huán)節(jié)。在實驗室入口處安裝一個固定的RFID 射頻閱讀器，并給相關(guān)的師生配備一個電子標簽(電子標簽可進一步設計與校園一卡通集成)，這樣一來，當師生進入實驗室時，閱讀器便會非常方便地讀取該人員的基本信息，例如，姓名、學號、聯(lián)系電話等，同時相關(guān)信息也將通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至中央處理單元登記存儲。若需要相關(guān)考勤的記錄，便可通過中央處理單元調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的記錄，非常快捷的導出考勤表等詳細內(nèi)容，省去了大量煩瑣的簽到工作。而該模塊一旦監(jiān)測到非授權(quán)人員擅自進入實驗室時，便可立即發(fā)出警報并發(fā)送信息至實驗室管理人員的移動終端，管理員便可第一時間采取應對措施，這對于需要重點保護保密的實驗室有非常好的效果。

3.6 建立環(huán)境監(jiān)測模塊

不少實驗室對于實驗環(huán)境有著不低的要求，而環(huán)境監(jiān)測不光可以幫助實驗順利進行，還可以在出現(xiàn)安全問題，如火災、漏氣等情況時第一時間啟動應急措施。環(huán)境監(jiān)測模塊可以安裝溫度、濕度、氣體、光電傳感器等，并與110聯(lián)網(wǎng)，通過中央處理單元的反饋，中央處理單元或?qū)嶒炄藛T即可做出相應的控制。而該模塊一旦監(jiān)測到實驗室出現(xiàn)火災、漏氣等險情時，中央處理單元將立即啟動消防系統(tǒng)并報警，同時發(fā)送信息至實驗室管理人員的移動終端，使安全問題在第一時間得到有效控制。

4 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)的模塊化設計實驗室管理平臺，來實現(xiàn)高校實驗室內(nèi)的硬件管理、人員檢測及安全監(jiān)測等內(nèi)容，該系統(tǒng)可以較好地改進高校在實驗室管理中存在的信息化程度低、管理工作繁重復雜等問題，對于高校智能實驗室建設具有一定的借鑒意義。

[1]黃崢,古鵬.物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設研究與探討[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(2):191-195.

[2]朱勇,張昕明,王寧.基于射頻識別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(6):17-19.

[3]ZORAI M .From Today’s Internet of Things to a Future Internet of Things:a Wireless and Mobility Related View[J].IEEE Wireless Communications,2010,1536-1284:44-51.

[4]楊剛,沈沛意,鄭春紅，等.物聯(lián)網(wǎng)：理論與技術(shù)[M].北京:科學出版社,2010,5.

[5]徐迪威,蔡建新.物聯(lián)網(wǎng)及其應用剖析[J].計算機工程與應用,2011,47(15):229-231.

[6]魏衍亮.國外企業(yè)對醫(yī)療RFID芯片的專利化經(jīng)營及其借鑒[J].自動識別技術(shù)與應用,2005(3):36-37.

[7]王瑾.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理技術(shù)[J].電腦知識與技術(shù),2010,6(21):5741-5742.

Research on Laboratory Management Based on the Internet of Things

XU Xiaoke, CHEN Huiming,LI Yurong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In recent years, the internet of things (IOT) technology has been widespreadly concerned in the community. With a large number of implementation on the product based on the IOT, the realization of intelligent laboratory is no longer a distance. The main goal of this new laboratory management system is to achieve laboratory automation, networking, information, intelligence and real-time, greatly reducing the cost of personnel expenses, which will fundamentally change the consistent use of traditional Chinese Universities approach to managing laboratory situation. Some of the basic techniques of IOT was presented, and a laboratory management scheme based on IOT by using wireless sensor network (WSN), radio frequency identification (RFID) was simply designed.

internet of things; laboratory construction; sensor; radio frequency identification; research

2014-05-26；修改日期:2014-06-16

南京林業(yè)大學大學生實驗室創(chuàng)新項目——基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理探究。

徐曉坷(1993-),男,本科,主要從事物聯(lián)網(wǎng)實驗室方面的工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.068