基于物聯(lián)網(wǎng)的無人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：實(shí)驗(yàn)室作為高校與公司培養(yǎng)人才的重要場(chǎng)所，設(shè)備管理尤為重要，顯然傳統(tǒng)人工設(shè)備管理模式難以跟上當(dāng)前發(fā)展速度。本文以此為背景研究基于物聯(lián)網(wǎng)的無人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，從現(xiàn)有設(shè)備管理系統(tǒng)相互比較入手，介紹本系統(tǒng)的硬件模塊構(gòu)成，隨之詳談系統(tǒng)采用的RFID無線射頻技術(shù)，人臉識(shí)別技術(shù)以及基于Flutter跨平臺(tái)框架等主要技術(shù)。最后通過技術(shù)的結(jié)合介紹重要功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，得到一個(gè)適用于現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定性高且安全的無人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵字：無人實(shí)驗(yàn)室；設(shè)備管理；RFID；Flutter跨平臺(tái)

一、引言

近年來，隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家也愈發(fā)重視科研人才的發(fā)掘與培養(yǎng)，因此實(shí)驗(yàn)室作為高校與公司的重要場(chǎng)所，較好的管理才能減少不必要的麻煩。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理一方面是雜亂無章毫無秩序，另一方面是人力消耗過大，存在實(shí)驗(yàn)室管理效率低，設(shè)備數(shù)量不對(duì)的情況。所以這也是實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)施規(guī)劃管理，且公司實(shí)驗(yàn)室管理決策不到位的問題。由本文提出對(duì)無人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理手段的研究與實(shí)現(xiàn)，改造設(shè)備管理的業(yè)務(wù)模式，提高設(shè)備管理效率與質(zhì)量。

研究這一系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)無人化智能化的設(shè)備管理體系。減少人力資源成本，提高工作效率。本系統(tǒng)用RFID無線射頻技術(shù)，人臉識(shí)別技術(shù)以及OKTTP協(xié)議，有效減少實(shí)驗(yàn)室重要設(shè)備被盜的風(fēng)險(xiǎn)，形成了規(guī)范化、制度化的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理，為研究人員使用和管理人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)提供了極大便利。

用戶可以在App端或Web端根據(jù)設(shè)備需求時(shí)間不一進(jìn)行選擇或預(yù)約設(shè)備，然后前往實(shí)驗(yàn)室處進(jìn)行取用，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，用戶打開App進(jìn)行人臉識(shí)別確定身份然后獲取進(jìn)入資格，取用常規(guī)設(shè)備前無須再進(jìn)行人臉識(shí)別，與設(shè)備存放處對(duì)應(yīng)的工卡即可取用。取用重要設(shè)備前采用人臉識(shí)別對(duì)用戶身份進(jìn)行匹配。匹配成功后用戶即可獲取所需的重要設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了一人一卡一門。同時(shí)管理人員可以通過后臺(tái)對(duì)設(shè)備取用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控抓拍，保障了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的安全性。

二、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方式

在市場(chǎng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)大致有表1所示的幾種，但它們都存在不同程度上的不足，而本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)將以下提到的方式合為一體，解決了它們存在的不足，同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率。

三、系統(tǒng)主要硬件模塊構(gòu)造

（一）攝像頭模塊

采用高清攝像頭對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以保證其設(shè)備安全，通過攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控，管理員可以在Web或移動(dòng)端遠(yuǎn)程對(duì)用戶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)察。若設(shè)備在無權(quán)限情況下強(qiáng)制取用，抓拍器立刻抓拍，并將獲取的圖片傳入云端然后發(fā)送至管理員端，實(shí)時(shí)報(bào)警。管理員根據(jù)得到的情況進(jìn)行相應(yīng)處理。

（二） 門禁模塊

在實(shí)驗(yàn)室入口處設(shè)置基于RFID與人臉識(shí)別結(jié)合構(gòu)成的門禁，本系統(tǒng)采用RFID-RC522，它發(fā)出的射頻信號(hào)會(huì)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象的電子標(biāo)簽，且得到其對(duì)應(yīng)芯片的UID相應(yīng)信息，這一識(shí)別過程可以在無人情況下進(jìn)行，故無需人干預(yù)。再者有攝像頭模塊的加持，管理員可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，操作方便快捷。讀卡器采用的是MFRC522為基礎(chǔ)，利用射頻識(shí)別技術(shù)，加上SPI協(xié)議和ESP8266進(jìn)行通信。其中由于SPI的結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形構(gòu)造，故需要至少4根線才能進(jìn)行通信，包括MISO、MOSI、SCLK、CS。當(dāng)狀態(tài)為1時(shí)也就激活了門禁系統(tǒng)，則RC522開始尋卡，從而發(fā)出射頻信號(hào)。

（三）力度傳感器模塊

此模塊應(yīng)用壓電效應(yīng)，所謂壓電效應(yīng)就是當(dāng)介質(zhì)（晶體）受到機(jī)械壓力時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面產(chǎn)生異種電荷，從而引起介質(zhì)表面帶電；而這種性質(zhì)稱之為壓電性[1]。所以在研究中系統(tǒng)在電壓達(dá)到一定值時(shí)，它收到信號(hào)后，蜂鳴器會(huì)得到信息而發(fā)出預(yù)警，通過協(xié)議傳送給管理員。

四、運(yùn)用技術(shù)

（一）RFID無線射頻技術(shù)

RFID技術(shù)，其實(shí)就是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無線射頻識(shí)別掃描目標(biāo)物體，以非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)為基本原理，將射頻信號(hào)利用信號(hào)獲取、分析并通過相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幻化成可視化信息的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）主要包括四個(gè)組成部分，分別是上層企業(yè)應(yīng)用、RFD中間件、閱讀器以及電子標(biāo)簽[2]，如圖1所示。

本系統(tǒng)通過使用RFID技術(shù)將工卡或者用戶卡綁定，并與人臉識(shí)別技術(shù)相結(jié)合設(shè)置權(quán)限，將設(shè)備分為普通設(shè)備和一般設(shè)備，按照權(quán)限刷卡和識(shí)別人臉方可實(shí)現(xiàn)大門和暗箱的開啟。在設(shè)計(jì)中，劃分為重要設(shè)備的物品需要先進(jìn)行人臉識(shí)別，在刷對(duì)應(yīng)工號(hào)，才能達(dá)到目的。

（二）人臉識(shí)別技術(shù)

本系統(tǒng)人臉技術(shù)設(shè)計(jì)流程：1.百度人臉識(shí)別；2.上傳開門請(qǐng)求（經(jīng)HTTP協(xié)議通過）；3.服務(wù)器收到請(qǐng)求；4.下發(fā)通知；5.云服務(wù)器接收；6.舵機(jī)開門。

監(jiān)控環(huán)境與門禁聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大門和暗箱的開啟。用戶在注冊(cè)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將人臉錄入到本地人臉庫。人臉庫更新會(huì)，待用戶下一次若需進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配本地庫中的記錄從而進(jìn)行比對(duì)。

人臉檢測(cè)：通過檢查是否檢測(cè)到了人臉，然后來實(shí)現(xiàn)拍攝的點(diǎn)測(cè)光或是對(duì)焦， 或協(xié)助智辨別出人臉和其他移動(dòng)的物品并進(jìn)行智能報(bào)警。

人臉識(shí)別：檢測(cè)到人臉并判別是否為所注冊(cè)或授權(quán)的用戶來使用設(shè)備或是自動(dòng)裝置。

檢測(cè)人臉時(shí)本系統(tǒng)采用基于機(jī)器視覺的圖像篩選算法，通過高斯濾波等技術(shù)確保人臉移動(dòng)，或在不同角度，低背光環(huán)境下等情況都能準(zhǔn)確得到和追蹤人臉輪廓以及特征點(diǎn)。

（三）OKHTTP協(xié)議

OKHTTP協(xié)議用于本系統(tǒng)的移動(dòng)端和WEB端的數(shù)據(jù)交互，為實(shí)現(xiàn)租借、預(yù)約、反饋等信息的實(shí)時(shí)上傳與更新做好了基礎(chǔ)。通過HTTP使上位機(jī)和下位機(jī)信息互聯(lián)，基于機(jī)器視覺的圖片篩選算法篩選圖片，以此協(xié)議與APP聯(lián)動(dòng)。如果同一服務(wù)器上有多個(gè)IP地址，在一個(gè)IP地址申請(qǐng)失敗時(shí)，OKHTTP協(xié)議就會(huì)嘗試協(xié)助配置另外的IP地址，這樣就得以提高APP與WEB端交互穩(wěn)定性。圖2為APP與WEB數(shù)據(jù)交互流程。

（四）基于Flutter前端技術(shù)

Flutter作為當(dāng)前移動(dòng)端流行框架，是因?yàn)樗梢蕴岣吖ぷ餍?，?jié)約開發(fā)成本，本系統(tǒng)利用此技術(shù)框架進(jìn)行開發(fā)可以輕松實(shí)現(xiàn)APP跨平臺(tái)運(yùn)行。同時(shí)Flutter框架又擁有其他跨平臺(tái)框架沒有的高性能。主要表現(xiàn)兩個(gè)方面，首先，F(xiàn)lutter本身自帶一個(gè)渲染引擎，不用像RN那樣通過中間層到原生渲染[3]，減少了性能開銷，能夠?qū)崿F(xiàn)高幀率的流暢UI。其次，Dart語言有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，JIT和AOT兩種當(dāng)下主要的編譯方式在Dart語言中都是支持的[4]。

五、系統(tǒng)重點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）APP總體設(shè)計(jì)

如圖3所示，用戶注冊(cè)登錄用戶界面，可以瀏覽到所有設(shè)備的基本信息和取用情況，用戶可以根據(jù)自我需求時(shí)間自主選擇或預(yù)約所需產(chǎn)品，填寫相關(guān)設(shè)備信息并提出申請(qǐng)，填寫用戶基本工卡身份信息。歸還時(shí)也需填寫歸還信息并提出申請(qǐng)，與申請(qǐng)流程相似。

（二） 租借模塊與歸還模塊

圖4為租借流程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用多個(gè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人化安全管理。用戶進(jìn)倉庫前，需要進(jìn)行人臉識(shí)別。人臉識(shí)別成功，倉庫門會(huì)自動(dòng)打開。人臉識(shí)別失敗，蜂鳴器報(bào)警。

人員進(jìn)入倉庫后，申請(qǐng)租借普通設(shè)備或者一般設(shè)備時(shí)，只需用手機(jī)打開App，進(jìn)入登錄界面，在租借界面填寫相關(guān)信息后，最后點(diǎn)擊“申請(qǐng)”。如果是新用戶，則點(diǎn)擊“注冊(cè)”，按步驟填寫信息進(jìn)行注冊(cè)。登錄后進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的設(shè)備管理的主頁，用戶可根據(jù)自己的需求選擇所要租借的設(shè)備?；蛘呖梢渣c(diǎn)擊“申請(qǐng)預(yù)約”，用戶需填寫個(gè)人信息：姓名、工號(hào)、時(shí)間、租期。再拿工卡刷卡，設(shè)備門打開，便可以拿到自己所需設(shè)備。申請(qǐng)租借重要設(shè)備時(shí)，需用手機(jī)打開App，進(jìn)入登錄界面，填寫相關(guān)信息。如果是新用戶，則點(diǎn)擊“注冊(cè)”，按步驟填寫信息進(jìn)行注冊(cè)。登錄后進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的設(shè)備管理的主頁，用戶可根據(jù)自己的需求選擇所要租借的設(shè)備。點(diǎn)擊“申請(qǐng)”過后會(huì)有個(gè)人臉識(shí)別，人臉識(shí)別通過后才可以拿工卡刷卡租借設(shè)備。租借成功后，硬件設(shè)備上會(huì)有一個(gè)燈亮，表示租借成功。

同租借設(shè)計(jì)原理一樣，歸還流程：虹軟人臉識(shí)別區(qū)分為普通設(shè)備與重要設(shè)備。

普通設(shè)備流程：1.APP申請(qǐng)?zhí)顚懶畔ⅲ?.刷卡開門；3.歸還設(shè)備。

重要設(shè)備流程：1.APP申請(qǐng)?zhí)顚懶畔ⅲ?.人臉識(shí)別；3.刷卡開門；4.歸還設(shè)備。

（三）預(yù)約模塊

預(yù)約流程：1.選擇商品（點(diǎn)擊預(yù)約）；2.輸入信息（經(jīng)人臉識(shí)別）；3.上傳信息；4.進(jìn)入商品預(yù)約界面。

用戶注冊(cè)登錄用戶界面，可以瀏覽到所有設(shè)備的基本信息和取用情況，用戶可以根據(jù)自我需求時(shí)間自主選擇或預(yù)約所需產(chǎn)品，填寫相關(guān)設(shè)備信息并提出申請(qǐng)，填寫用戶基本工卡身份信息。歸還時(shí)也需填寫歸還信息并提出申請(qǐng)，與申請(qǐng)流程相似。

（四） 其他模塊

信息流轉(zhuǎn)界面：管理員點(diǎn)擊菜單欄中的信息流轉(zhuǎn)，可查看不同實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的取用狀態(tài)及取用用戶的基本信息。

管理員后臺(tái)定位界面：可以將物品在地圖上用經(jīng)緯度表現(xiàn)出來，方便用戶尋找。

六、結(jié)束語

由于設(shè)備價(jià)值的不斷升高，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理成為的重要議題。若設(shè)備造成意外損傷或丟失，會(huì)給實(shí)驗(yàn)室?guī)韲?yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。在本文研究中，主要就是通過此問題并與市場(chǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)相對(duì)比，而引出建立所有技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代化無人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成WEB和APP，基于人臉識(shí)別技術(shù)、RFID、通信技術(shù)、算法技術(shù)簡(jiǎn)化管理流程，提高設(shè)備管理工作的效率和管理水平，也降低了管理員的工作難度。通過本文研究，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的無人設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理工作的規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)化以及無人化。在后續(xù)研究中，會(huì)繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)與流程。

作者單位：徐佳欣? ? 金陵科技學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] Wonhwa Hong，Samuel Kim．A study on the energy con -sumption unit of subway stations in Korea[J]．Building and Environment，2004，39（12）．

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[3]鄧皓瀚.基于Flutter的跨平臺(tái)移動(dòng)APP開發(fā)前景研究[J].信息與電腦（理論版），2019（15）：197-199.

[4]金誠.移動(dòng)應(yīng)用跨平臺(tái)開發(fā)框架的比較分析[J].民營科技，2018（10）：150-152.