高校實驗室智能化管理系統(tǒng)的設計

文 燕，李 雪，李 敏

（成都農業(yè)科技職業(yè)學院 信息技術分院，四川 成都 611130）

近年來，隨著國家對高校實驗室的建設越來越重視，高校實驗室在科研、人才培養(yǎng)及成果創(chuàng)新等方面取得豐碩的成果，也推動了我國高等教育的發(fā)展。經過多年的發(fā)展，高校實驗室的管理水平較上個世紀有了很大進步，但在高校實驗室建設和發(fā)展的過程中，實驗室管理和實驗設備的利用率等問題顯得尤為突出。目前，大部分高校實驗室的信息化管理系統(tǒng)，僅僅是對實驗室的資源、設備和人員信息的管理，在實驗室環(huán)境檢測、設備控制和安全管理方面涉及不多。

用傳統(tǒng)的方式來管理高校實驗室，不僅方法落后，費事費力，效率低下，而且成本高昂。這些傳統(tǒng)的管理方式已經不能滿足當前高校實驗室的迅速發(fā)展，目前實驗室管理存在的突出問題主要表現(xiàn)在：

（1）對設備信息進行實時查詢、監(jiān)管以及維護效率不高，從而經常出現(xiàn)設備丟失現(xiàn)象，給實驗室管理員帶來許多的麻煩，浪費了大量的物力與財力。

（2）在實驗課上，老師通過人工方式了解學生出勤情況，不僅費時，還容易出錯。

（3）各實驗室之間無法共享資源，實驗室之間共享資源率低，尤其是一些高端精密設備、跨實驗室設備使用程序復雜，導致某些設備的利用率不高。

（4）現(xiàn)有實驗室門鎖、窗簾和燈光都釆用機械銷匙和手動的方式開關，不能進行智能化的遠程控制，對于實驗室的使用情況也不能夠完整記錄。

（5）在實驗室環(huán)境監(jiān)測方面，沒有對環(huán)境實時監(jiān)測功能，對于實驗設備的工作與存放環(huán)境不能夠及時檢測或發(fā)出預警，從而給實驗室造成毀滅性的損壞。

結合當前實驗室管理所存在的問題，開發(fā)一套智能化的實驗室管理系統(tǒng)已經迫在眉睫。隨著物聯(lián)網技術智能控制和管理在各個領域的應用逐漸成熟，將物聯(lián)網技術應用到實驗室的管理系統(tǒng)中是大勢所趨。物聯(lián)網技術為實現(xiàn)高校實驗室的自動化、智能化管理提供強有力的技術支撐。

1 實驗室智能化管理系統(tǒng)的設計

隨著全球信息化的發(fā)展，新技術、新學科、新專業(yè)不斷涌現(xiàn)。物聯(lián)網技術在各個領域的應用深入，國家在信息化“十二五”規(guī)劃中，提出了建設“智慧校園”的口號，希望把二十一世紀的大學建設成信息化、智能化的大學?！爸腔坌@”建設的一個重點就是高校實驗室管理的信息化、智能化。

高校實驗室智能化管理系統(tǒng)的設計目標是取代高校實驗室傳統(tǒng)的管理方式，增加對實驗室環(huán)境實時監(jiān)控和對實驗室的智能控制等功能，讓實驗室的管理智能化，簡化實驗室管理流程，提高實驗室管理的自動化、智能化水平和實驗室的利用率，為實現(xiàn)現(xiàn)代高校的“智慧校園”提供強有力的保障。

該實驗室智能化管理系統(tǒng)采用DCM三層整體技術架構，每層架構都應用最先進的物聯(lián)網技術，圍繞“軟件即服務”的思想，在實現(xiàn)效果和設計理念上體現(xiàn)可視化、泛在化、智能化、個性化、一體化的特點。

智能化實驗室管理系統(tǒng)整體架構包括三部分：感知層、網絡傳輸層和系統(tǒng)應用服務層，該系統(tǒng)的整體架構圖1所示。

圖1 實驗室智能化管理系統(tǒng)整體架構

系統(tǒng)結構中各無線節(jié)點模塊負責對實驗室的溫濕度、PM2.5和光照等環(huán)境參數(shù)進行實時采集與監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網網關網絡傳輸?shù)綉弥行牡膶嶒炇抑悄芑芾硐到y(tǒng)，用戶通過物聯(lián)網實驗室智能化管理系統(tǒng)提供友好的人機交互界面和數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計顯示，用戶通過移動端和PC端訪問系統(tǒng)客戶端程序，后臺程序主要負責接收來自客戶端的指令，再由智能化管理系統(tǒng)發(fā)送到各個無線節(jié)點，系統(tǒng)最終做出智能決策、并實現(xiàn)遠程管理和智能控制的功能。

1.1 門禁管理與考勤模塊設計

門禁管理模塊是實驗室智能化管理的一個非常重要功能，是智能化實驗室管理系統(tǒng)中重要的子模塊。其主要由電源模塊、NFC讀卡模塊、門禁控制器模塊、門禁報警器、電控鎖模塊和出門按鈕模塊六個部分組成，門禁管理模塊的結構如圖2所示。

（1）電源模塊：電源模塊為整個智能門禁無線節(jié)點供電，釆用的是3.7V的鋰電池。

（2）RFID讀卡模塊：RFID讀卡模塊采用的是NFC讀卡，NFC是一種近距離無線通訊技術，負責讀取學生校園卡數(shù)據(jù)。

2.4 多因素Cox回歸分析 以本研究資料為樣本，建立COX比例風險回歸模型。應變量為EOC患者預后(賦值: 1=死亡，0=生存，生存時間t)。自變量為前述2.2和2.3節(jié)中P<0.05的各個指標/因素。回歸過程采用后退法，α剔除=0.05。結果：分化程度、FIGO分期、PDCD4表達等3個指標被保留于回歸結果中，相對危險度RR依次為2.527、2.947、2.014。提示分化程度(低)、FIGO分期(Ⅲ～Ⅳ期)、PDCD4(陰性)是EOC預后的獨立危險因素(P<0.05)。見表2。

（3）ZigBee模塊：ZigBee模塊是無線節(jié)點的核心，提供控制和通信的功能，本系統(tǒng)中的ZigBee模塊都是釆用CC2530的ZigBee芯片，CC2530不僅能夠提供單片機的控制功能，還具有強大的組網能力，保證了系統(tǒng)無線模塊之間的通信。

（4）繼電器模塊：繼電器模塊負責電控鎖電源的開關控制。

（5）電控鎖模塊：電控鎖主要針對實驗室門的機械開鎖和閉鎖，門禁模塊采用磁力鎖。

（6）出門按鈕模塊：該模塊實現(xiàn)從實驗室內開門的功能。

圖2 物聯(lián)網門禁管理模塊的結構

1.2 實驗室環(huán)境參數(shù)采集模塊設計

實驗室的環(huán)境檢測在實驗室智能化管理中必不可少，如實驗室里的溫濕度、PM2.5和光照度等信息檢測有著重要的意義，各類環(huán)境參數(shù)采集模塊主要包括電源模塊ZigBee模塊和各類傳感器模塊。實驗室環(huán)境參數(shù)釆集模塊的結構組成如圖3所示。

圖3 環(huán)境參數(shù)釆集模塊的結構

1.3 實驗室控制模塊設計

窗簾和燈光智能控制模塊的設計原理與門禁模塊基本一致，亦是屬于實驗室智能管理的重要功能。該模塊主要由電源模塊、ZigBee模塊、繼電器模塊和控制電機組成。電機的功能是實現(xiàn)窗簾和燈光的開關與漸變，其他組成功能與智能門禁相同。智能控制模塊的結構組成如圖4所示。

圖4 智能窗簾控制模塊的結構

1.4 系統(tǒng)網關設計

網關是提供兩種網絡通信服務，一是無線節(jié)點間的通信服務，即通過ZigBee網絡的Sink節(jié)點與處于ZigBee網絡中的無線節(jié)點通信；二是無線節(jié)點與服務器之間的通信服務，即通過Socket網絡協(xié)議與服務器進行通信。在該系統(tǒng)中，物聯(lián)網網關釆用TP-Link WR703N路由器和CC2530的ZigBee芯片的組合設計，這樣設計的網關不僅具有協(xié)議轉換功能，還具有強大的管理能力和廣泛的接入能力。TPLink WR703N是當前比較流行的一種路由器，再結合 OpenWRT操作系統(tǒng)。OpenWRT是一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，既具有高度模塊化、自動化的特性，又擁有強大的網絡以及擴展功能，被廣泛應用于智能家居、智能農業(yè)等新興領域。本系統(tǒng)的物聯(lián)網網關的結構如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網網關的結構

2 高校實驗室智能管理系統(tǒng)應用平臺的設計

成都農業(yè)科技職業(yè)學院物聯(lián)網綜合實驗實訓室是成都市教育局重點實驗室建設項目，實驗室建設幾年以來，在實驗室的管理和設備使用方面存在了諸多的問題。結合我院物聯(lián)網實驗室的管理的具體情況，基于物聯(lián)網技術的實驗室智能化管理系統(tǒng)的系統(tǒng)主要包括以下功能：用戶信息管理、設備信息管理、節(jié)點信息管理、環(huán)境信息管理、智能控制管理和考勤信息管理、門禁系統(tǒng)管理，實驗室智能化管理系統(tǒng)的組織結構如圖6所示。

（1）用戶信息管理模塊。用戶信息管理模塊不僅方便地管理了實驗室內部人員信息，也記錄了人員的正常流動過程，還為整個智能實驗室管理系統(tǒng)提供了統(tǒng)一用戶信息管理賬號。該模塊包括用戶信息添加、用戶信息的刪除、用戶信息修改模塊和用戶信息查詢等功能。

圖6 基于物聯(lián)網的實驗室智能化管理系統(tǒng)的功能

（2）設備信息管理模塊。通過對我院實驗物聯(lián)網的實驗室設備管理的需求分析，要求實現(xiàn)對實驗室設備智能化管理。設備的日常管理包括新買設備的錄入、報廢設備的刪除、設備的使用登記以及現(xiàn)有設備的查詢等功能，通過設備上的標簽利用RFID技術實現(xiàn)實驗室設備的日常信息化、智能化管理。

（3）節(jié)點信息管理模塊。由于考慮到系統(tǒng)地可擴展性和可持續(xù)性，在物聯(lián)網實驗室智能化管理系統(tǒng)中增加了無線節(jié)點管理模塊，該模塊使系統(tǒng)能夠靈活地對各個無線模塊進行管理，對節(jié)點的添加和刪除更加方便，對于開發(fā)其他功能模塊的成本大大降低了，同時也提高了開發(fā)其他模塊的效率都。

（4）環(huán)境信息管理模塊。該模塊對傳感器采集的實驗室內環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析與顯示，即有對實驗室內的溫濕度、PM2.5和光照進行詳細分析與顯示以及查詢等功能，為系統(tǒng)的智能控制提供智能決策。

（5）智能控制管理模塊。主要是對實驗室的開門、開關窗簾和開關燈光等進行智能控制操作。

（6）門禁和考勤管理模塊。實驗室教學門禁和考勤管理模塊，根據(jù)課表或臨時安排，通過刷卡開啟實驗室大門，在規(guī)定時間和規(guī)定地點對規(guī)定的人群開放；學生刷卡后，系統(tǒng)對使用實驗室的學生自動分配實驗臺或實驗設備，對學生課內外使用實驗室的時間、實驗內容等進行考勤、記錄和統(tǒng)計分析；同時還可以按學籍管理要求，將學生考勤情況自動進行成績、學分等折算；實驗室的課外開放管理，學生可通過網絡預約，在得到批準后在規(guī)定的時間通過刷卡進入實驗室，使用指定的實驗臺或設備。

（7）系統(tǒng)信息管理模塊。它是管理信息系統(tǒng)運行的基礎，是對系統(tǒng)操作權限的集中管理，包括定義操作者角色、設定系統(tǒng)用戶、設置功能權限、分配功能權限，系統(tǒng)管理設立統(tǒng)一的安全機制，如設置整個系統(tǒng)運行過程的監(jiān)控機制、設置數(shù)據(jù)自動備份、清除系統(tǒng)運行過程中的異常任務等。

3 結語與展望

通過對高校實驗室的管理和使用現(xiàn)狀進行調研和分析，根據(jù)實驗室在使用和管理過程中存在的問題，將物聯(lián)網技術應用到具體的實驗室管理中，建立了實驗室智能化管理系統(tǒng)的結構模型。結合成都市教育局立項的第一批重點實驗實訓室——成都農業(yè)科技職業(yè)學院物聯(lián)網綜合實驗實訓室項目的具體情況，將實驗室智能化管理系統(tǒng)的結構模型應用到該項目的物聯(lián)網實驗室綜合管理系統(tǒng)中。應用結果證明，實驗室智能化管理系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了管理信息化，簡化了實驗室管理流程，有效地提高了實驗室的管理效率和設備的利用率，降低了實驗人員的勞動強度，優(yōu)化了師生的實驗教學環(huán)節(jié)，加強了實驗過程中的實時監(jiān)控，進一步實現(xiàn)實驗室管理上的信息化、智能化、自動化。鑒于該實驗室智能化管理系統(tǒng)在物聯(lián)網實驗實訓室取得的成效，下一步準備將該系統(tǒng)進行推廣應用，針對學院的農學、畜牧類等實驗室的特點管理進行改進，以及推廣應用到其他高校和科研院所的實驗室管理中。