基于NB-IoT 的高校實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理系統(tǒng)

蕭英杰，謝建輝，陳利

（廣東技術(shù)師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣州510665）

1 研究背景

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)被應(yīng)用于各大行業(yè)中。然而，高校實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理仍處于半自動(dòng)化階段，一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)使用和保管的效率，已經(jīng)不能滿足高校對(duì)教育信息化管理的要求。自《教育信息化2011-2020 十年規(guī)劃》頒布以來(lái)，教育信息化已被納入國(guó)家信息化的整體戰(zhàn)略中，并與中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)小組和國(guó)務(wù)院有關(guān)“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧城市、信息惠民、寬帶中國(guó)、農(nóng)村扶貧開發(fā)等重大戰(zhàn)略緊密相連。“十二五”期間“建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境”和“基本實(shí)現(xiàn)所有地區(qū)和各級(jí)各類學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋”的政策在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中得到延續(xù)，并進(jìn)一步確立以“構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系，建設(shè)‘人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)’的學(xué)習(xí)型社會(huì)，培養(yǎng)大批創(chuàng)新人才”為發(fā)展方向。教育信息化將長(zhǎng)期享受政策利好的環(huán)境，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和教育教學(xué)需求的深度融合的路徑已逐步清晰。

在實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的管理上，信息技術(shù)的使用還有所欠缺，信息化不夠全面，最主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是信息化涵蓋面不夠廣泛和全面，二是信息化網(wǎng)絡(luò)不夠通暢。

信息化涵蓋不夠全面廣泛主要是由于實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理的程序比較復(fù)雜，有很多的環(huán)節(jié)，而學(xué)校的工作人員使用信息化系統(tǒng)來(lái)處理資產(chǎn)管理工作主要是在登記、使用和處置環(huán)節(jié)，在其他環(huán)節(jié)則使用了人工或者其他比較緩慢的方式，而且，對(duì)于絕大多數(shù)高校來(lái)說(shuō)，它們的信息化水平是相對(duì)比較低的，并沒有專業(yè)并且統(tǒng)一的資產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，所以沒有辦法做到信息化全面覆蓋，大大地增加了實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的管理難度。

信息化網(wǎng)絡(luò)不夠通暢主要是很多學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)習(xí)慣于紙質(zhì)信息的審批而不是使用網(wǎng)絡(luò)信息的方式，所以很多高校就直接放棄了信息化的資產(chǎn)管理方式。種種這些問題讓信息化管理的優(yōu)點(diǎn)不能夠凸顯，同時(shí)很多高校也不能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理中的績(jī)效管理和收益管理等方面的信息，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的管理不夠全面。

針對(duì)以上主要問題，我們進(jìn)行了調(diào)研和探討，并且開發(fā)出了更智能的系統(tǒng)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 資產(chǎn)管理系統(tǒng)

國(guó)外高校的資產(chǎn)管理系統(tǒng)大多為本校研發(fā)，適合本校的實(shí)際情況，從資產(chǎn)的購(gòu)買以及分配管理到最終的報(bào)廢有完整的動(dòng)態(tài)管理體系。如University of Cen?tral Florida、Studio Cambridge 等都有自己的一套符合實(shí)情的資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

我國(guó)資產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)比較晚，但對(duì)于資產(chǎn)管理的探究從未停止。在80 年代初，我國(guó)高校的資產(chǎn)管理主要以人工為主，靠紙質(zhì)登記和人工管理。這對(duì)一個(gè)資產(chǎn)設(shè)備極多、數(shù)量龐大的高校來(lái)說(shuō)明顯是不可行的，查詢起來(lái)勢(shì)必很慢。在1996 年由武漢大學(xué)在基于DOS 環(huán)境下編寫出的資產(chǎn)管理軟件，對(duì)整體的查詢有了很大的改進(jìn)。但是畢竟DOS 環(huán)境單一，對(duì)出入庫(kù)等進(jìn)行登記也不是很好的選擇。所以要求更高性能的資產(chǎn)管理軟件的面世。到1998 年，北京化工大學(xué)以Visual FoxPro 編寫，在Windows 環(huán)境下開發(fā)出資產(chǎn)管理系統(tǒng)。直到2003 年山西大學(xué)率先在國(guó)內(nèi)實(shí)行資產(chǎn)條形碼管理。2016 年，根據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)[1]，全國(guó)固定資產(chǎn)已經(jīng)全面增加42.15%左右，其中教學(xué)和科研儀器等方面更是增幅超過60.22%。意味我國(guó)高校資產(chǎn)管理急需一套新的資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

目前我國(guó)的校園資產(chǎn)管理探究越來(lái)越強(qiáng)烈。有以校園網(wǎng)的高校固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)借助校園網(wǎng)溝通、協(xié)調(diào)校內(nèi)各部門和資產(chǎn)管理人員從而科學(xué)和規(guī)范化實(shí)現(xiàn)固定資產(chǎn)的管理。有運(yùn)用工作流技術(shù)去設(shè)計(jì)資產(chǎn)管理系統(tǒng)的[3]，該探究主要是利用工作流的特點(diǎn)——以流程化的思想實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理的自動(dòng)化或半自動(dòng)化，并實(shí)時(shí)監(jiān)控流程執(zhí)行的狀態(tài)，達(dá)到提高效率的目的。

2.2 NB-IoT技術(shù)

在海外，NB-IoT 技術(shù)同樣保持高速發(fā)展。例如，泰國(guó)的摩托車監(jiān)控、挪威的羊聯(lián)網(wǎng)、韓國(guó)的氣表、西班牙的智慧門鎖以及德國(guó)的智能停車，NB-IoT 技術(shù)都已實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。此外，NB-IoT 智能跟蹤器、健康監(jiān)測(cè)、智能家居等2C（消費(fèi)者）領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展。不論是NB-IoT 的技術(shù)演進(jìn)連續(xù)性，還是全球運(yùn)營(yíng)商N(yùn)BIoT 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，或是NB-IoT 在垂直行業(yè)的應(yīng)用，NBIoT 都已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)的NB-IoT 技術(shù)成熟、成本低，NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)早、產(chǎn)業(yè)鏈趨于成熟，與垂直行業(yè)的結(jié)合滲透很完善；其次，NB-IoT 建網(wǎng)成本低，NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)；最后，NB-IoT 信號(hào)增益更大，覆蓋效果好。近日3GPP 正式向ITU-R（國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門）提交5G 候選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案。其中，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT 被正式納入5G 候選技術(shù)集合[4]，作為5G 的組成部分與NR（New Radio）聯(lián)合提交至ITUR。中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商在智能水表、智能氣表、電動(dòng)車追蹤、煙感探測(cè)器、白色家電五大場(chǎng)景中積極布局，NBIoT 技術(shù)應(yīng)用取得飛速發(fā)展。NB-IoT 應(yīng)用遍地開花，連接數(shù)將達(dá)1 億[5]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著高校建設(shè)的步伐加快，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步智能化和信息化的建設(shè)需求也逐步加大[6]，尤其是實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)及其管理模式部分，因而針對(duì)這方面的研究成為了一件非常有意義的事情。為了解決資產(chǎn)重復(fù)購(gòu)置、資產(chǎn)閑置等資產(chǎn)管理的常見問題，本系統(tǒng)將窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)與樹莓派相結(jié)合，充分發(fā)揮樹莓派及攝像頭的強(qiáng)大感知能力，再經(jīng)NB-IoT 開發(fā)板的通信模塊的高效便捷傳輸，在微信小程序端和桌面客戶端獲取數(shù)據(jù)并處理，并渲染一系列功能到用戶界面[7]，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的同時(shí)，也提供了對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)等操作的功能，從而實(shí)現(xiàn)高效管理實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的目的。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件模塊搭建

此系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備主要有：樹莓派、Rpi IRCUT 攝像頭、NB-IoT 模塊、二維碼打印機(jī)。NB-IoT 模塊通過樹莓派GPIO 引腳口相連，Rpi IR-CUT 攝像頭通過15PIN FFC（異向）線與樹莓派相連[8]，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件架構(gòu)圖

4.2 硬件功能實(shí)現(xiàn)

（1）樹莓派攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)

通過樹莓派攝像頭實(shí)現(xiàn)的功能主要側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)所具有的由特定的打印機(jī)生成的二維碼進(jìn)行拍照掃描，將采集的圖像進(jìn)行灰度處理，根據(jù)RGB 三通道的數(shù)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，最終得到灰度圖。通過OpenCV[9]識(shí)別灰度圖的內(nèi)容，得到資產(chǎn)信息，再交于后端進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)而使前端信息實(shí)時(shí)更新。感知層識(shí)別的灰度圖如圖2 所示。

圖2 感知層識(shí)別的灰度圖

樹莓派攝像頭功能實(shí)現(xiàn)的部分核心代碼如下：

（2）NB-IoT 模塊實(shí)現(xiàn)

NB-IoT 設(shè)備SIM7000C 通過MQTT 協(xié)議（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）接入IoT 云平臺(tái)。將NB 終端上報(bào)的數(shù)據(jù)發(fā)送到IoT 云平臺(tái)進(jìn)行處理，由IoT 云平臺(tái)匯集NB 終端上傳的所有數(shù)據(jù)。其在傳輸層架構(gòu)中的位置如圖3所示。

圖3 基于NB-IoT設(shè)備的傳輸架構(gòu)示意圖

使用pyserial 進(jìn)行串口通信，控制NB-IoT 模塊上報(bào)數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)的部分核心代碼如下：

5 軟件設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 的高校實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要由三部分組成[10]，第一部分為樹莓派終端的資產(chǎn)出入庫(kù)的控制程序，第二部分為阿里云云平臺(tái)和云數(shù)據(jù)庫(kù)，第三部分為小程序端的資產(chǎn)信息管理。樹莓派終端和小程序共同連接到阿里云云平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)的管理。

5.1 樹莓派終端軟件設(shè)計(jì)

程序開始執(zhí)行后，控制NB-IoT 模塊連接云平臺(tái)，只有連接云平臺(tái)之后才可以執(zhí)行入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)、查詢的操作。當(dāng)使用入庫(kù)或出庫(kù)功能時(shí)，此時(shí)開啟一個(gè)子線程，開啟攝像頭，永久等待監(jiān)聽攝像頭獲取的信息，直至獲取到資產(chǎn)標(biāo)簽信息。獲取信息后，彈出窗口，填寫入庫(kù)信息或出庫(kù)信息，主程序?qū)@取到的信息封裝成JSON 格式的字符串，通過串口控制NB-IoT 模塊向云平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)的入庫(kù)和出庫(kù)管理。

樹莓派終端的軟件流程如圖4 所示。

5.2 阿里云云平臺(tái)端

阿里云云平臺(tái)作為一個(gè)完美的中介，對(duì)樹莓派傳來(lái)的不同的資產(chǎn)信息進(jìn)行判別、歸類、處理、保存，又實(shí)時(shí)地與小程序端進(jìn)行鏈接，形成了一個(gè)高效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路。

NB-IoT 上報(bào)后的數(shù)據(jù)及云端處理的流程如圖5所示，云端收集到的數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖4 樹莓派終端的軟件流程圖

圖5 數(shù)據(jù)及云端處理圖

圖6 云平臺(tái)收集數(shù)據(jù)示意圖

上報(bào)的數(shù)據(jù)為JSON 格式的字符串，在云平臺(tái)經(jīng)過規(guī)則引擎的處理后，將符合規(guī)則的數(shù)據(jù)保存至阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)RDS 中，同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)的觸發(fā)器，根據(jù)上報(bào)的數(shù)據(jù)更新資產(chǎn)信息。

5.3 小程序端軟件設(shè)計(jì)

利用node 中的mysqld 模塊與小程序云開發(fā)調(diào)試功能，微信小程序連接阿里云云數(shù)據(jù)庫(kù)RDS，獲取通過樹莓派保存在阿里云云數(shù)據(jù)庫(kù)RDS 的信息，再將資產(chǎn)數(shù)據(jù)保存在小程序云數(shù)據(jù)庫(kù)中，借用云開發(fā)技術(shù)以及用Java 搭建的后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理與渲染，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的入庫(kù)、出庫(kù)、設(shè)備查詢、轉(zhuǎn)移、申請(qǐng)等功能。小程序的主要界面如圖7 與圖8 所示。

圖7 小程序的管理頁(yè)面與普通頁(yè)面

整體的框架圖，如圖9 所示。

圖8 庫(kù)存設(shè)備界面

圖9 軟件整體架構(gòu)圖

小程序端獲取設(shè)備的相關(guān)功能的部分核心代碼如下所示：

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)踐，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過樹莓派終端、PC 端、手機(jī)端對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)控，對(duì)零散和閑置的資產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了妥善的管理，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)管理有一定的幫助性，使得高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不僅局限于服務(wù)教學(xué)，而且通過建立一套管理妥善的系統(tǒng)，更充分地發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)所擁有的價(jià)值。