物联网架构下的高校实验室信息化管理关键技术研究

张睿

(浙江大学医学院 附属口腔医院， 杭州 310006)

0 引言

物联网是随着现代信息化产业发展而诞生的产物[1]，物联网的兴起有着必然性[2]，并且伴随着射频识别技术、微电子技术、传感器技术、通信技术的技术进步而达到了快速的发展[3]。在高校实验室里，信息化的管理已经有着十分强烈的需求，伴随着物联网技术的逐渐成熟，将其运用到实验室信息化管理的事务中去，实现对实验室内设备、环境等自动化和智能化的管理，取代原先的基于人工的管理模式，避免人工产生的错误，减少实验室中繁重、复杂的工作量，使实验室的管理趋于高效化、科学化，并且在环境要求较高的实验室中，空气的温度、湿度和污染物颗粒度都是需要监控的，并且将各种信息进行汇总到数据库中，再通过传感器系统对整个实验室实现实时的控制，记录实验室中设备的数量和人员的考勤记录，达到适应教育改革背景下高校实验室快速扩大后的网络化管理。物联网技术包含很多技术，其中的关键技术是射频识别技术、无线通信技术和传感器技术[4]。对于这些技术的研究能够促进物联网的发展,如图1所示。

图1 物联网技术的发展

2 物联网技术

2.1 物联网概述

物联网是指基于计算机互联网技术，利用传感器、射频识别、GPS定位与红外感应等将物与物、物与人联系在一起，即万物互联。物联网的三个层次，从上到下依次就是应用层、网络层和感知层，如图2所示。

物联网需要具有对自然模拟信号的数据收集和采集的能力，对数据有分析和处理的能力以及有数据传输的无线技术。应用层上针对不同领域，尤其各自的适用场景，例如智能家居、远程医疗等；在网络层是基于互联网和信息管理中心进行数据交互，感知层就是各种传感器对物体标记电子标签，记录物体的属性。

图2 物联网体系结构图

2.2 物联网的关键技术

目前常用的技术包含射频识别技术、无线通信技术和传感器技术。射频识别技术是最重要的关键技术[5]，整个射频识别技术包括电子标签、读写器等，射频识别是非接触的识别技术[6]，读写器可以读取每个物体属性的电子标签，查看物体当前的状态，并且接受主机的指令，对物体进行控制操作，而电子标签都附着在物体表面，物体的唯一标识就是电子标签，电子标签嵌入微型的电子芯片，内置小天线，存储物体的信息,如表1所示。

表1 常见电子标签封装应用

由于电子标签和管理系统的接口不一致，需要射频识别中间件进行处理，作为二者的媒介，对于数据流和特征流的管理尤为重要，它的功能实现就是为了完成数据逻辑的存储与转发，而这些都是具有通用的标准规则。读写器的发展趋势就是嵌入化、模块化以及轻巧，便于携带，并且逐步丰富功能,如表2所示。

表2 常见RFID读写器的分类

无线通信技术所实现的功能就是“管道”的作用，依据信号覆盖的范围，可以分成远距和近距两种方式，远距离的通信包含移动通信、卫星通信等。近距离通信技术包括WIFI、Zigbee、RFID等技术，由于网络结构稳定，可以根据环境的干扰，实时的进行带宽的自动调整。这些短距离通信技术在物联网系统中获得大范围的使用，节省了人力的成本。其中ZigBee技术是物联网系统中最常用的近距通信技术，其技术特点是传输快，传输数据的容量大，效率高以及传输延时较短。ZigBee完成的是基于服务访问点的层与层之间的通信，访问点的设置是基于用户的层结构信息流的过程。它常见的4种原语如表3所示。

传感器技术是物联网系统的运用的入口，分析的数据都由各种各样的传感器收集而来，传感器的灵敏性是其最主要的特征[7]，在使用传感器之前需要对传感器的稳定性和动态性测试下，防止传感器的性能下降，影响正常的使用[8]，在实验室环境下，温度、湿度、气体、加速传感器等都是必备的。在使用期，要经常对其进行维护，避免强酸、强碱、腐蚀等情况，保证数据采集过程中的不间断获取信息。

表3 四种基本原语

3 系统需求分析

3.1 系统业务目标

系统实现的业务目标包括人员、设备、实验室及其各类通信终端的互联沟通。取代过去人工登记进出实验室的过程，采取针对学生一卡通的刷卡式身份识别，并且利用考勤信息管理平台收集签到信息，对人员进行考核。同时采用物联网技术，针对实验室的气体、湿度、温度和光照等信息实时监控，避免湿度过大使设备生了锈，同时对高校实验室的空调、灯光、窗帘、门禁进行远程控制，并对管理信息中心的界面进行设计，完后对各种信息的查看、统计和指令下发。在软件开发方面，在eclipse平台上，编写Java语言，实现业务功能，数据库采用Mysql，通过物联网和编程技术实现总体目标。电子标签的存储量大，可以完全取代现有设备的纸质标签，纸质标签只有设备名、使用期限等很少的信息。电子标签则充分体现智能化，集成更多的使用方法和信息。通过集成这些信息，可以让高校领导掌握实验室的总体情况，降低实验室维护的总体成本。而且在实验室布置无死角的摄像头，对实验室无遗漏地监控，同时对于各个设备提供警报提示，保障安防以致减少经济的意外损失。

3.2 系统具体需求

在针对高校实验室的仪器管理上的需求，具体到仪器从入库管理、使用调拨、设备管理与设备清点整个过程，人机界面设置不同的用户级别实现智能化的操作，用户的权限分为教师、学生与管理员，通过读取传感器发送过来经过处理的数据融合射频识别的技术实现不同仪器的申请使用,如图3所示。

图3 实验室管理系统主要实体E-R关系图

对实验室仪器设备的管理通过上层应用层通过网络层互联实现[9]，条用底层的感知层，采用数据库的分析处理能力，将设备以报表的格式呈现，并与高校的教务处网对接。对仪器的处理操作包括添加、维护、调派、回收、报废和清点。每次借用都进行使用次数的标定，完成初始化数据，以便在年度汇总时，对整体使用情况和耗损情况作出评价,如图4所示。

图4 仪器设备管理功能模块图

4 系统整体实现与测试

该系统分为四个部分，分别是浏览器、服务器部分，数据库部分，物联网网关以及物联网节点。包含的物联接入节点以及控制模块。利用浏览器访问服务器，服务器将控制命令转给物联网网关，物联网网关将所有指令进行梳理与分发，对应指定的物联网节点，进行控制。在物联网系统内部，3个层次分别实现如图5所示。

图5 系统物联网体系架构图

用户管理模块的实现是在进入到整个物联网系统之前用户根据自己的身份进行登录，经过身份验证后，登录到用户界面，本系统的用户级别分为四个等级。管理员、教师、学生、游客。

接下来是RFID的工作流程，首先打开串口设备，对其进行初始化，然后传感器去识别物体上的电子标签是否存在，然后登陆物体上的信息，对电子标签选中后，激活电子标签，通过阅读器查阅标签，对其密码认证后，读写电子标签的状态信息。

将获取到的信息与管理系统进行交换，以门禁管理为例，通过实验室的门外NFC模块，识别学生或教师的校园一卡通，Zigbee将识别后的信息传递给认证模块，系统确认后，再将信息发给门禁的继电器电路，然后负责电子锁的开启与关闭，电源电路为整体门禁模块供电。其流程图如图6-图7所示。

图6 刷卡开门处理流程图

图7 远程开门业务处理流程图

智能灯光模块设计的组成部分与智能门禁模块基本相同，其结构图如图8所示。

图8 远程开门业务处理流程图

湿度与温度的实时监测是实验室物联网系统的重要组成部分[10]，通过湿度传感器和温度传感器采集温湿度，然后通过Zigbee传输到信息中心，传递到数据库中，随时被人访问。其实现的结构图如图9所示。

图9 温湿度监测业务处理流程图

由于中国这些年到冬季左右，雾霾天气泛滥，对于实时监控实验室PM2.5的指数是十分必要的。通过采集到的PM2.5的数据，控制空气净化器的开关[11]，使实验室的环境质量达到良好以上，其实现的结构图如图10所示。

图10 PM2.5监测业务处理流程图

以上针对各个模块的实现后，需要管理网站模块对各个设备和物联网终端进行删、增处理，网站的功能组织架构如图11所示。

图11 物联实验室管理网站功能组织图

具体的实验室信息列表的后台管理的代码如下：

public String lablist() {

HttpServletRequest request = ServletActionContext.getRequest();

String bianhao = request.getParameter("bianhao");

String fuzeren = request.getParameter("fuzeren");

StringBuffer sb = new StringBuffer();

sb.append(" where ");

if (bianhao != null && !"".equals(bianhao)) {

sb.append("bianhao like '%" + bianhao + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("bianhao", bianhao);

}

if (fuzeren != null && !"".equals(fuzeren)) {

sb.append("fuzeren like '%" + fuzeren + "%'");

sb.append(" and ");

request.setAttribute("fuzeren", fuzeren);

}

sb.append(" deletestatus=0 order by id desc ");

String where = sb.toString();

int currentpage = 1;

int pagesize = 10;

if (request.getParameter("pagenum") != null) {

currentpage = Integer.parseInt(request.getParameter("pagenum"));

}

int total = labDao.selectBeanCount(where.replaceAll("order by id desc", ""));

request.setAttribute("list", labDao.selectBeanList((currentpage - 1)

* pagesize, pagesize, where));

request.setAttribute("pagerinfo", Pager.getPagerNormal(total, pagesize,

currentpage, "method! Lablist", "共有" + total + "条记录"));

request.setAttribute("url", "method! Lablist");

request.setAttribute("url2", "method! Lab");

request.setAttribute("title", "实验室信息管理");

this.setUrl("lab/lablist.jsp");

return SUCCESS;

}

5 总结

实验室是高校科研发展的重要地点，实验室的建设和维护，影响到学生能否高效地利用实验室，开发新的技术或者新的创新点。在信息化时代，本文构建了基于物联网框架下的实验室管理系统，着重阐述了其中的三大关键技术，射频

识别技术、传感器技术以及无线通信技术，通过实验室中经常使用到的场景，实现了几个模块的设计，在深度调研后确定模块中的电路实现与组成。分析与实现了基于JAVA的后台管理系统，实时操作各个单元模块，保证独立的正常运行。在开发代码中，没有考虑重构，这是后面需要进一步改进的方面。