基于物联网技术的实验室管理系统设计

韩方珍， 俞守华， 方永美， 徐东风， 肖媚燕

(华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州 510642)



基于物联网技术的实验室管理系统设计

韩方珍， 俞守华， 方永美， 徐东风， 肖媚燕

(华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州 510642)

基于物联网技术的实验室管理系统运用了RFID技术、网络技术和软件技术，并采用轻量级企业集成框架Struts2+Hibernate+Spring+DWR+DWZ作为核心开发技术，使用了JAVA的面向对象设计模式，设计了RFID端管理、设备追踪、视频监控管理、温度管理等四个管理功能模块，实现实验设备的自动识别和移动管理，设备查询清点工作自动化等功能，此外，该系统还具有安全报警、视频监控和温度监控等功能。实现了实验室管理的智能化和信息化，提高了管理效率。

实验室管理系统； 物联网； RFID技术

0 引 言

物联网是本世纪人类面临的又一个发展机遇，在未来10年左右时间里，它将得到大规模应用，成为改变人类生活的技术之首[1]。目前，物联网在国内高校也受到了极大的关注，给学校带来相当大的便利和巨大的发展前景。因此，设计一个基于物联网技术的实验室管理系统，来提高实验室管理的智能化和信息化。

1 系统设计的关键技术

系统将运用RFID(Radio Frequency Identification)技术、网络技术和软件技术，设计一个基于物联网技术的实验室管理系统，实现实验设备的自动识别和移动管理，设备查询清点工作自动化，提高管理效率。此外，该系统还具有安全报警、视频监控和温度监控等功能。当设定设备离开设定区域时，系统会自动启动报警装置报警，防止实验设备资产的流失或丢失，同时对实验室内环境进行有效监测。

1.1 RFID技术

系统采用的是RFID物联网技术。RFID技术又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立物理接触[2]。标签读写器用于读取和修改标签信息已经是比较成熟的物联网相关设备，读写器可以分成固定、静止和移动三类[3]。固定读写器主要用于设备盘点和位置移动监控；静止读写器大多放置在出入口处，对出入实验室的设备进行检测，同时，可以将检测到的信息发送至设备信息显示屏幕和报警提示灯，这样经过出入口处的设备信息会同步显示，也可以根据设置好的报警触发条件对未授权的设备移动进行报警，保证资产安全；移动手持读写器，应用于对设定的特定区域的设备局部盘点、设备状况核查验证。本系统采用D-Think_501系列桌面式读写器进行设计。

1.2 JNA技术

JNA(Java Native Access)是SUN公司基于JNI基础之上的主持的开源JAVA框架[4]。利用JNA可以除去JNI的繁杂操作，实现简单方便调用动态库基本步骤为：定义接口变量继承loadLibrary，声明要使用的方法。然后通过instance实例化就可以使用DLL中的方法。在本系统中主要是用来调用生产商的的动态库。

代码模板:

import com.sun.jna.Library;

import com.sun.jna.Native;

import com.sun.jna.Platform;

public class HelloJna

{

//定义接口Library，继承自com.sun.jna.Library

public interface Library extends Library

{ //定义并初始化接口的静态变量

Library Instance=(Library)Native.loadLibrary(“Library”,Library.class);

void printf(String format, Object... args);// print方法声明参数与DLL方法参数类型一样

}

public HelloJna (){

// TODO Auto-generated constructor stub

}

public static void main(String[] args)

{

//调用print打印信息

Library.Instance.printf("Hello, JNA! ");

}

}

1.3 Web Socket API

HTML5 Web Sockets规范定义了Web Sockets API，支持页面使用Web Socket协议与远程主机进行全双工的通信[5]。它引入了WebSocket接口并且定义了一个全双工的通信通道，通过一个单一的套接字在Web上进行操作。HTML5 Web Sockets以最小的开销高效地提供了Web连接[6]，减少了不必要的网络流量与延迟。本系统使用Web Sockets API减少网络带宽资源的占用，同时也节省服务器资源。

2 基于物联网技术的实验管理系统的架构设计

2.1 系统结构功能设计

目前高校实验室管理工作，主要由四个方面构成：实验环境安全管理、设备管理、实验人员管理、实验室信息管理。其中，设备管理和安全管理较为重要。针对实验室管理工作的特点[7]，本系统设计功能包括实时监控管理、温度管理、RFID端管理、设备追踪等四个管理功能模块，具体系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构图

系统采用轻量级企业集成框架Struts2+Hibernate+Spring+DWR+DWZ作为核心开发技术，并使用了JAVA的面向对象设计模式，系统各部分达到解耦的目的，使系统的分层结构清晰，提高扩展性、可维护性、可重用性[8]。

2.2 系统详细设计

系统分为服务器端，采集端两大类进行设计。各个模块端的通讯关键：C#与java用Socket通信，发送数据和接收数据统一采用UTF-8编码[9]。对于Socket技术，发送数据之前，需要将字符串转换成字节数组，然后发送字节数组；接收数据时，收到的也是字节数组[10]。而两种语言交互的桥梁，是使用Json对接。WEB服务端接收的关键代码如下：videoArryList=gson.fromJson(reString,new TypeToken>(){}.getType());//转换为对象 ArrayList。具体流程见图2。

图2 C#与java交互信息流程

2.2.1 服务器端设计

服务器的采用的结构是MVC(Model View Controller)架构，是模型(model)-视图(view)-控制器(controller)的缩写[11]。MVC用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件里面，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑[12]。基于MVC设计的服务器模块包括视频监控模块、温度监控模块和设备追踪模块。

(1) 视频监控模块。系统摄像头采集当前实验室的视频，获取数据帧，然后通过socket发送到视频采集端，视频采集端根据socket头部信息，判断socket所含内容，最后根据识别结果判断是否报警和根据WEB指令开启线程发送数据帧给远程客户端查看。具体用例图见图3。

图3 视频监控模块用例图

(2) 温度监控模块。用户登录管理系统后可以查看实验室的湿温度信息。温度是实时采集的，浏览器通过DWR调用服务器的方法获取采集到的的温度信息，再通过DWR返回的数据放入脚本数组，每插入一个数据就把数组尾删除一个数据，浏览器利用数组里不断变更的11个数据来显示温度。

服务器获取数据信息主要是使用了DWR技术远程调用服务器的方法来获取当前实验室温度数据，而实验室温度数据又由采集器统计采集[13]。通过温度检测可以发现实验室是否火灾？实验者离开是否关窗户等，这里主要是利用了室内室外温度差不一样实现的。具体检测的逻辑准确性还要要结合视频监控。

(3) 设备追踪模块。感知设备获取信息，如果信息发生变化，则提交给Web服务器更新信息。如果是RFID信息，Web服务器获取信息并查询相关设备，更新设备当前地址。用户登录Web服务器，则可以查询到实时的设备位置信息，对设备进行管理或使用；如果设备被借用，则在当前地址显示被借用，而且点击相关设备则可以查询相关借用信息。如果设备未被借用而带离门口，则响起警报等。

2.2.2 采集端设计

(1) RFID射频采集模块。实验室RFID采集模块管理业务流程如图4所示。使用RFID技术来实现对各类被管理的实验设备进行标识，实现全面感知。RFID标签记录各设备的信息，通过RFID识别器来读取，从而完成目标物的信息的采集[14]。对实验室的每个设备用固定RFID标签进行标识，把固定识别器安装在实验室中心内顶，静止识别器安装在实验室入口处，每个RFID识别器对应着各自的房间号或一定区域，当带有 RFID 标签的实验设备进入到某一实验室或特定区域，就会被该位置的识别器所识别，并把识别器内码和标签内码通过有线或无线校园网传送至后台Web服务器获取信息并查询相关设备，更新设备当前地址。用户登录WEB服务器，则可以查询到实时的设备位置信息，对设备进行管理或使用。服务器根据接收到的信息即可自动跟踪每一台设备的位置，某些设备超出特定区域进行报警。

图4 RFID采集模块业务流程图

传感器网络布局，采集数据是物联网的基础[14]。设备通过读卡器识别，利用HTTP协议传输到Web应用，系统即对实验室设备进行跟踪管理。RFID采集端总体布局示意图见图5，小圆圈代表采集器。根据采集器读取范围，布置相应读取器把实验室分割成网格设别区。每个RFID采集端固定检测某个范围，对进入范围内的设备，进行录取字符串信息，提交给Web服务器，利用函数映射关系，Web服务器根据字符串信息，解析RFID采集端信息和感知到的设备信息，利用采集端的地址信息更新设备的当前地址信息。

图5 实验室RFID采集端布局图

(2) 视频采集模块。系统通过安卓手机模拟摄像头进行视频捕获，并通过WiFi传输图像。安卓软件通过摄像头捕获图片然后通过socket发送到视频采集端，视频采集端根据socket头部信息，判断socket所含内容，进行相应处理[15]，如摄像头连接，摄像头关闭或处理图像信息利用图像识别进行监控。

3 结论与讨论

基于物联网技术的实验室管理系统，设计了实时监控管理、温度管理、RFID端管理、设备追踪等四个管理功能模块，实现了智能化管理实验室。但由于系统设计时间有限，还存在一些不足需要改进。

(1) 视频传输数据过大，查看视频会有延迟，应该增加数据压缩。后期可以通过RTP协议打包改进。

(2) 考虑到读取速度和读取频繁度的问题，RFID只读取标签ID，未能快速读写卡内信息。后期的设计要改进。

系统还有很多功能和技术上需要进一步完善，希望基于物联网技术的实验室管理系统的设计能够为智能实验室的研究者提供一些参考。

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Design of Laboratory Management System Based on the Internet of Things

HANFang-zhen，YUShou-hua，FANGYong-mei，XUDong-feng，XIAOMei-yan

(College of Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The laboratory management system is designed based on the Internet of Things, and is used RFID technology, network technology and software technology. The lightweight enterprise integration framework based on Struts2+Hibernate+Spring+DWR+DWZ is taken as the core development technology, and RFID terminal management, equipment tracking, video surveillance management, temperature management four management function module are completed by using the object-oriented pattern of JAVA. It realizes some functions including automatic identification and mobility management of experimental equipment, equipment query and inventory, in addition. The system also has alarm, video monitoring and temperature monitoring functions. It realizes the intellectualization and informatization of the laboratory management, and improves the management efficiency.

laboratory management system; the Internet of Things; RFID technology

2015-01-10

广东省高等教育教学改革项目(GDJG20142092);广东省高等教育学会实验室管理专业委员会基金项目(GDJ2012039)；华南农业大学2013年度教育教学改革与研究“《企业网组网实验》课程的优化研究”.华南农业大学质量工程项目(bkjx2014042)

韩方珍(1979-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，实验师，研究方向：物联网应用，管理信息系统。

Tel.：15622288971；E-mail：hfz213@scau.edu.cn

TP 391.0；G 642.0

A

1006-7167(2015)12-0238-03