基于物联网的实验室管理系统设计

聂跃光 户晓玲

摘 要：在高校的教学过程中，实验教学越来越显现出其重要性。实验课时量所占课程的比例在逐年上调，实验室的规模也在逐年扩大。为了维护实验室的安全，杜绝实验用电、用水和火灾等安全隐患，使之更好地服务于广大师生，设计了基于物联网的实验室管理系统。该系统采用物联网技术中主要的嵌入式技术、移动通信技术、无线传感器技术及数据库存储技术等，将实验室设备管理、实验室环境监测、实验教学管理等功能整合于一体，实现了对实验室不同楼层、不同区域、不同设备进行监测，对相关数据进行识别与采集，并对异常情况进行实时报警。同时，为用户提供在手持客户端通过APP预习实验内容与结果演示。经测试，该系统数据通信精确度较高，响应速度较快，可有效提高实验室的管理和实验资源的利用。

关键词：物联网;实验室管理;嵌入式;环境监测;系统设计;无线传感器技术

中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-04

0 引 言

随着新工科理念的提出，实验教学已成为高等院校科学发展、知识创新和人才培养的重要实践环节，在应用型人才培养的指导下，实践能力成为一个硬性指标，由此而产生的就是增加实验课的比例，提高实验室的有效利用率，增加实验室建设的投入，以促进学生实践能力的自我提升。与此相凸显的是，对实验室的管理和使用仍然停留在原先的实验员管理、教师讲解和学生课堂操作的老旧模式上。因此，如何科学合理地管理实验室，让它能高效地服务高校师生，成为一个亟待解决的问题。对实验室的管理主要是实验设备的管理、实验室的安全管理、实验教学管理等部分[1]。

传统的实验室在设备管理上一直都是实验室管理员实地管理，定期检查实验室的用水、用电等安全隐患，只有少部分的科研院所加入了信息化的辅助，对实验室内的温度、湿度、光照和烟雾等进行监测。随着物联网技术的飞速发展，借助传感器实现实验室环境信息和设备信息的实时采集，可在很大程度上方便实验设备的有效管理。在实验教学上，绝大部分高校仍然采用传统意义上的面授方式，即老师讲、学生照做，这种教学形式对学生思考探索和课后复习有一定的不利因素，形不成系统的体系。近年来，随着网络技术的发展，远程视频教学方式异军突起[2]，得到了广泛的应用，远程教学技术实现了优秀教师、先进教学方法等教学资源的集中利用，满足了不同层次用户的多种需求。应用这一理念，在实验实践教学中可有效利用高效丰富的实验设备和实验资源，应用音视频教学和操作演示讲解实验教程和实验，供学生从多方面灵活学习实验知识，提高实践能力。

实验室规模的日益扩大和实验设备的持续增长，也给实验室的日常管理带来了一些新的问题，使用传统的实验室管理方式已不能满足现有的管理要求。将物联网技术与远程教育技术相结合，采用信息化方法，研制一套集成度较高的实验室管理系统，可辅助实验室管理人员合理高效地管理实验室设备、灵活地对实验室环境进行实时监测，同时也为学生学习提供了一种灵活的、更高效的学习形式。

1 研究现状

最近几年，我国一些企业和科研机构也开始关注实验室管理的信息化建设。北京百奥利盟在2012年推出了针对生物研发、医药制造和化工企业管理的Bio-LIMSV1.0[3]，該实验室管理系统在一定程度上实现了生化类实验室在日常、项目课题、库存、材料消耗及订购等的主要功能。除此之外，它还能对实验室内部的化学试剂库存量与使用情况做出智能化分配，并对一些特殊的化学试剂设计定制化管理方案。

此外，行业中还出现了一些满足特定领域需求的实验室管理系统。2016年，青岛帕特智能科技研制了一套实验室能耗管理控制系统[4]，对实验室内用电设备的工作情况通过传感器检测技术来感知，并进行差别性管理，极大地降低了实验室用电的损耗。成都晨科软件研发了一套商用的实验室管理系统[5]，主要用于教学单位和教学机构的排课管理和收费管理等。

在国外，StarLIMS数年来一直致力于公共卫生和环境监测类实验室管理及解决方案的研发，在欧洲、北美已经占据了很大的市场份额[6]。

综上可知，实验室管理系统的建设已引起了国内外相关行业的高度关注。但是这些系统大多都是针对生化类实验室的管理监测，综合程度不高，功能较为单一，且价格昂贵[7]。因此，设计一种通用的、经济的、集成化程度较高的，用于实验室的日常管理和环境监测的实验室管理系统显得尤为重要。

2 物联网相关技术及应用

2.1 物联网概述

物联网这一概念，我国在1999年提出来的时候叫作传感网。中科院早在1999年就启动了传感网的研究和开发。与其他国家相比，我国的技术研发水平处于世界前列，具有国际同发优势和重大影响力。2005年11月27日，在突尼斯举行的信息社会峰会上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念。

物联网（Internet of Things，IoT）起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网是一个基于互联网、传统电信网络等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。简言之，物联网就是一种通过信息传感设备与互联网连接起来，实现物物相息的智能化识别和管理系统[8]。

与传统的互联网络相比，物联网还具有其特有的3个特征[9]。

（1）物联网中，在各个网络层面应用不同类型的感知技术，例如使用多种无线传感器技术实时监控和采集不同种类的信息。

（2）目前的“物联网”，还是在已存的、传统互联网基础上所建立起来的、遍布全球的、以实现物物相息的泛在聚合网络。物联网节点与互联网连接起来，构成了一个复杂的超大规模的网络，在该种网络上，物联网各传感节点采集的数据，通过互联网络实时准确地进行传输。物联网节点所采集到的数据主要是传感器数据，数据量极为海量，需要使用超大容量的存储设备和存储技术对这些数据进行存储。此外，为了保障物联网各节点对相应感知数据的准确采集，物联网还必须具有良好的灵活性、伸缩性和可扩展性，以适应物联网所处的各类异构协议环境与异构网络。

（3）由于物联网本身具有一定的智能协调能力，并提供了与多种类型的移动节点的的无线连接。因此，基于物联网可以自动识别一切连接到全球网络中的物品，并对其进行智能控制。还可方便地利用云计算、模式识别、数据挖掘等已有的智能处理技术，对基于物联网的海量感知数据进行分析、加工、处理和应用。

2.2 物联网结构

大体而言，物联网的整体结构可划分为三层[10]：感知层、网络层和应用层。

感知层就像是整个物联网的感觉器官，用于对物品进行感知和识别。该层的主要功能是使用各种类型的感知器对感知区域中的物体进行识别，以及对各类感知的识别与采集。

网络层是整个物联网的核心，与人的神经中枢和大脑的功能类似。该层主要是对海量感知数据进行传输与处理，主要功能为：数据传输、海量信息处理、海量信息存储以及复杂网络管理等。

应用层是物联网中数据处理与用户需求进行交互的部分。该层主要是对物联网中各类物品进行智能化管理与识别控制。通过这一层次，实现了物联网与社会中各行业的深度融合，以及对相应过程的智能化管理与控制。

3 基于物联网的实验室管理系统

3.1 目标及因素

实验室中仪器设备种类繁多，功能部件各不相同，对环境的要求也各不相同，甚至部分仪器设备对环境的要求非常严谨。根据这一特点，实验室的管理工作主要是对实验设备的管理维护和实验室环境的监测与控制。此外，实验活动的开设受到时间和地点的限制，无法满足学生实验后续的练习和总结，分批次重复实验又额外增加了任课教师的工作量。针对这一问题，如果整合优秀的实验内容和方法等资源，以文档或者视频的形式集中存储在中控服务器上，学生可通过手持终端远程访问，可方便进行复习总结和自学思考，也可减轻实验教师的工作负担。

3.1.1 设计目标

本实验室管理系统整体结构如图1所示。在该系统中，管理员可以通过PC机客户端或手机端实时监测实验室信息，实现对管理实验室设备的有效管理。学生也可以通过终端学习实验内容、实验仪器使用说明等教学资源。

结合物联网的三层体系结构和实际建设需求，对系统进行了层次结构划分。

感知层主要进行信息的获取，使用无线传感网络对实验室内的温湿度、光照度、烟尘浓度等自然信息进行实时监测。可通过扫描设备，快速准确地识别和获取实验器材、实验设备等信息。将采集的信息应用无线传输技术传输到中控存储单元。

网络层主要根据实际需要完成网络传输的设计，为了实现数据快速准确地传输到中控单元，需构建嵌入式系统来完成对感知层信息的中转传输。

应用层主要完成数据库的建立和应用程序的设计，用于存储感知设备采集到的数据，并对不同数据分别进行加工处理，对不同的应用端做出相应的响应。

3.1.2 考虑因素

感知层实时采集环境信息对带宽、速率和服务质量（Quality of Services，QoS）[11]的要求不是太高。但是要求网络整体成本低、传输精准和实用性强。因此，系统在设计过程中主要考虑以下要素。

（1）低成本。感知层要实现对环境的感知功能，需要用到大量的微型控制器和传感器。而物联网系统本身的节点个数非常多，在每个节点上布置的感知器的总量就会很多，因此，降低单个节点的成本会使系统的总体造价大幅度降低。

（2）高可靠性。系统需要对一些关键点处进行实时监测，如设备工作状态、实验室温湿度、烟尘浓度等。要求实时准确地监测环境数据，有异常数据要及时反馈给管理员。高可靠性也从侧面反映了物联网系统的实用价值。

（3）易用性。操作简单是系统需要重点考虑的问题。系统应从使用者的角度，为解决生产和生活中的实际问题而开展设计。因此，设计应尽可能地做到界面友好，操作简单。

（4）可扩充性。由于物联网的应用研究正处于一个不断发展的研究阶段，有很广的发展前景，因此，在系统设计之初就应该考虑应用的升级和二次开发。

3.2 系统总体设计

按照结构进行层次划分，基于物联网的实验室管理系统可分为三层，每层的主要功能和子功能模块见表1所列[12]。

应用层 与行业需求结合，实现物联网的智能应用 中心服务器（数据存储）;

Web端和手持端应用程序

本系统旨在使用物联网技术，设计一套能够用于实验室环境监测、实验设备管理、实验辅助教学等功能的综合性管理系统。该系统需要实现环境信息感知、实验设备存储、无线传输、数据中转、在线学习等功能。将物联网层次结构理念融合于系统中，进行层次化和模块化设计，使系统各功能之间具有较高的内聚性和低的耦合度。

3.3 系统具体设计

应用物联网相关技术对实验室管理系统进行结构设计，参考物联网层次结构模型，结合具体应用空间，实现了实验室环境数据采集、系统集成中控、感知数据存储、交互应用等功能。实验室环境数据采集通过感知层功能实现，系统集成中控通过网络层传输协议来保证，感知数据存储和交互应用通过应用层功能来实现。系统的功能划分如图2所示。

3.3.1 数据获取模块

数据获取功能模块主要用来获取实验室内部的环境信息和实验设备的状态信息，对實验室环境数据进行实时采集和对实验设备的信息录入，最后将获取的信息通过网络协议传输到系统集成中控。数据采集过程如图3所示。

室内环境数据的采集主要应用无线传感网络技术和传感器技术，实时监测实验室的温度、湿度、光照、烟雾等数据信息。传感器作为元器件，必须同微控制器结合使用，才能对环境数据信息[13]进行检测。系统采用ARM Cortex-M3作为微控制器，无线传输采用ZigBee模块，结合传感器完成对实验室环境数据的感知。微控制器的硬件部分由电源、信号放大电路、晶振和无线传输模块转接串口构成。传感器采集到的信号经放大器作用，传输到微控制器，再经过微控制器的数据转换，最后通过ZigBee发送到服务器，供应用程序使用和处理。

实验设备信息编码按照一定的规则进行，对设备所属楼号、实验室号、设备类型和设备序号按顺序进行组合，形成统一格式的条形编码。条形码编码具体规则见表2，借助条形码生成工具可生成打印条码。通过使用USB扫描枪扫描条形码或者手动输入编码信息来录入或查看实验设备的信息。

3.3.2 集成中控部分

集成中控部分在整个系统中起到数据中转传输的作用，完成数据信息的存储和转发，是物联网系统中网络层功能的具体体现。感知器接收到监测数据和设备数据之后，使用标准的网络协议将数据发送到服务中控端。考虑到系统以后的升级与功能扩充，在集成中控的硬件结构中预留了足够的接口，供系统未来扩展使用。存储单元结构如图4所示。

无线监测模块使用ZigBee协议标准将环境感知信息传递到中控单元，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，通信距离从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展[14]。它基于IEEE 802.15.4标准，具有高可靠、高性价比、低功耗等特点。

集成中控系统的设计需要构建嵌入式系统，包括嵌入式硬件和嵌入式软件两部分。嵌入式硬件部分选用集成开发板，主要包括核心处理器以及其外围电路的设计。本系统选择ARMV5TE 体系结构的ARM9作为系统的核心处理器。嵌入式软件设计中需要构建嵌入式操作系统，基于该操作系统设计应用程序，主要是基于Linux系统并搭建交叉编译环境arm-linux-gcc。在该环境下对输入的环境信息进行处理，输出数据经由ZigBee无线网络传输。

3.3.3 存储应用部分

存储应用部分要完成两方面的工作，即：解析中控单元传输过来的数据并保存到数据库;录入实验课程所需的各类教学资源并供访问者访问。系统使用SQL Server数据库对数据进行存储与管理。考虑到实际应用，在设计数据库时，要为各监测数据设定阈值，当某一数值超过阈值，就要产生报警信息，给管理员提示。同时，还要设定用户分类信息，分别为不同用户设置不同操作访问权限。

应用部分实现用户和系统的交互，按照不同的应用需要，将环境监测数据和实验资源分别呈现给不同用户。应用功能包括手机端应用和PC端应用，可供用户通过终端实时查看信息。应用部分主要实现环境监测、设备管理、实验教学等功能。如图5所示为系统应用部分的功能框图。

Web端应用程序和手机端应用程序均包含环境监测、设备管理、学习资源、在线课堂四个功能应用。环境监测主要是向管理员显示监测到的实验室环境信息;设备管理可方便管理员和教师查看实验设备信息;学习资源向老师和学生提供实验教学文档和视频等教学资源;在线课堂供老师和学生交流探讨实验相关技术、心得体会以及提问。

4 结 语

应用物联网相关技术设计实验室管理系统，使得实验室的管理能够将环境监测、设备管理、实验教学结合于一体。管理员、教师和学生都可以通过无线和有线方式随时随地地查看实验室情况和学习资源，极大地方便了管理员对实验室的管控，也增添了学生学习的主动性和灵活性。经测试，系统传输速度快、准确度高，能实时响应用户的各种需求，极大地提高了实验室管理的效率，增强了学生实践能力和思维能力。

参考文献

[1]王慧宇，张立震.基于物联技术的教室管理系统设计与构建[J].物联网技术，2015，5（6）：93-95.

[2]斯蒂芬·哈格德.慕课正在成熟[J].教育研究，2014，1（5）：92-99.

[3]陈冰剑.计算机系实验室管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.

[4]曾慧怡.化学实验室管理系统的设计[J].电子技术与软件工程，2016，1（20）：61-62.

[5]曲娜，盛桂珍，杨海波.基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计[J].实验技术与管理，2015，12（1）：140-142.

[6] BLAU A，BROWN A，MAHANTA L，et al. The translational genomics core at partners personalized medicine：facilitating the transition of research towards personalized medicine [J]. Journal of personalized medicine，2016，6（1）：10-11.

[7]李海燕.关于实验室信息管理系统（LIMS）和ORACLE中间件（BPM）整合研究项目[D].北京：北京理工大学，2016.

[8]薛秀琴，许方曲，郝秀兰.物联网技术与应用综述[J].电脑开发与应用，2014，27（3）：10-16.

[9]吴振强，周彦伟，马建峰.物联网安全传输模型[J].计算机学报，2011，34（8）：1351-1364.

[10] LUIGI Atzori，ANTONIO Iera，GIACOMO Morabito. The Internet of Things：a survey [J]. Computer networks，2010，54（1）：2787-2805.

[11] HAUSER C H，BAKKEN D E，DIONYSIOU I，et al. Security，trust，and QoS in next-generation control and communication for large power systems [J]. International Journal of Critical Infrastructures，2008，4（1）：3-16.

[12]刘化君.物联网概论[M].北京：高等教育出版社，2016.

[13] ZHANG Yanan，XIAO Guijin，XU Jiansheng. The wireless image transmission system of capsule endoscope based on STM32F103 [C]// 2016 2nd International Conference on Mechanical，Electronic and Information Technology Engineering. Chongqing，2016：297-303.

[14]葛廣英，葛菁，赵云龙. ZigBee原理、实践及综合应[M].北京：清华大学出版社，2015.

[15] KORTUEM G，KAWSAR F. Market-based user innovation in the Internet of Things [C]// Proceedings of the Internet of Things. Tokyo：IEEE，2010：1-8.