基于NB-IoT 的高校实验室资产管理系统

萧英杰，谢建辉，陈利

（广东技术师范大学计算机科学学院，广州510665）

1 研究背景

随着信息技术的发展，信息技术被应用于各大行业中。然而，高校实验室资产管理仍处于半自动化阶段，一定程度上降低了实验室资产使用和保管的效率，已经不能满足高校对教育信息化管理的要求。自《教育信息化2011-2020 十年规划》颁布以来，教育信息化已被纳入国家信息化的整体战略中，并与中央网络安全和信息化领导小组和国务院有关“互联网+”、大数据、云计算、智慧城市、信息惠民、宽带中国、农村扶贫开发等重大战略紧密相连。“十二五”期间“建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境”和“基本实现所有地区和各级各类学校宽带网络的全面覆盖”的政策在《教育信息化“十三五”规划》中得到延续，并进一步确立以“构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，建设‘人人皆学、处处能学、时时可学’的学习型社会，培养大批创新人才”为发展方向。教育信息化将长期享受政策利好的环境，互联网信息技术和教育教学需求的深度融合的路径已逐步清晰。

在实验室资产的管理上，信息技术的使用还有所欠缺，信息化不够全面，最主要表现为两个方面：一是信息化涵盖面不够广泛和全面，二是信息化网络不够通畅。

信息化涵盖不够全面广泛主要是由于实验室资产管理的程序比较复杂，有很多的环节，而学校的工作人员使用信息化系统来处理资产管理工作主要是在登记、使用和处置环节，在其他环节则使用了人工或者其他比较缓慢的方式，而且，对于绝大多数高校来说，它们的信息化水平是相对比较低的，并没有专业并且统一的资产信息化管理系统，所以没有办法做到信息化全面覆盖，大大地增加了实验室资产的管理难度。

信息化网络不够通畅主要是很多学校领导习惯于纸质信息的审批而不是使用网络信息的方式，所以很多高校就直接放弃了信息化的资产管理方式。种种这些问题让信息化管理的优点不能够凸显，同时很多高校也不能体现实验室资产管理中的绩效管理和收益管理等方面的信息，对于实验室资产的管理不够全面。

针对以上主要问题，我们进行了调研和探讨，并且开发出了更智能的系统。

2 国内外研究现状

2.1 资产管理系统

国外高校的资产管理系统大多为本校研发，适合本校的实际情况，从资产的购买以及分配管理到最终的报废有完整的动态管理体系。如University of Cen⁃tral Florida、Studio Cambridge 等都有自己的一套符合实情的资产管理系统。

我国资产管理系统设计开发比较晚，但对于资产管理的探究从未停止。在80 年代初，我国高校的资产管理主要以人工为主，靠纸质登记和人工管理。这对一个资产设备极多、数量庞大的高校来说明显是不可行的，查询起来势必很慢。在1996 年由武汉大学在基于DOS 环境下编写出的资产管理软件，对整体的查询有了很大的改进。但是毕竟DOS 环境单一，对出入库等进行登记也不是很好的选择。所以要求更高性能的资产管理软件的面世。到1998 年，北京化工大学以Visual FoxPro 编写，在Windows 环境下开发出资产管理系统。直到2003 年山西大学率先在国内实行资产条形码管理。2016 年，根据教育部统计[1]，全国固定资产已经全面增加42.15%左右，其中教学和科研仪器等方面更是增幅超过60.22%。意味我国高校资产管理急需一套新的资产管理系统。

目前我国的校园资产管理探究越来越强烈。有以校园网的高校固定资产管理系统[2]，该系统借助校园网沟通、协调校内各部门和资产管理人员从而科学和规范化实现固定资产的管理。有运用工作流技术去设计资产管理系统的[3]，该探究主要是利用工作流的特点——以流程化的思想实现业务处理的自动化或半自动化，并实时监控流程执行的状态，达到提高效率的目的。

2.2 NB-IoT技术

在海外，NB-IoT 技术同样保持高速发展。例如，泰国的摩托车监控、挪威的羊联网、韩国的气表、西班牙的智慧门锁以及德国的智能停车，NB-IoT 技术都已实现规模商用。此外，NB-IoT 智能跟踪器、健康监测、智能家居等2C（消费者）领域都实现高速发展。不论是NB-IoT 的技术演进连续性，还是全球运营商NBIoT 网络建设，或是NB-IoT 在垂直行业的应用，NBIoT 都已经在物联网技术竞争中取得优势。

我国的NB-IoT 技术成熟、成本低，NB-IoT 标准冻结早、产业链趋于成熟，与垂直行业的结合渗透很完善；其次，NB-IoT 建网成本低，NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz 的带宽，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级；最后，NB-IoT 信号增益更大，覆盖效果好。近日3GPP 正式向ITU-R（国际电信联盟无线电通信部门）提交5G 候选技术标准提案。其中，低功耗广域物联网技术NB-IoT 被正式纳入5G 候选技术集合[4]，作为5G 的组成部分与NR（New Radio）联合提交至ITUR。中国三大运营商在智能水表、智能气表、电动车追踪、烟感探测器、白色家电五大场景中积极布局，NBIoT 技术应用取得飞速发展。NB-IoT 应用遍地开花，连接数将达1 亿[5]。

3 系统设计

随着高校建设的步伐加快，对高校实验室进一步智能化和信息化的建设需求也逐步加大[6]，尤其是实验室资产及其管理模式部分，因而针对这方面的研究成为了一件非常有意义的事情。为了解决资产重复购置、资产闲置等资产管理的常见问题，本系统将窄带物联网（NB-IoT）技术与树莓派相结合，充分发挥树莓派及摄像头的强大感知能力，再经NB-IoT 开发板的通信模块的高效便捷传输，在微信小程序端和桌面客户端获取数据并处理，并渲染一系列功能到用户界面[7]，在实现数据可视化的同时，也提供了对资产进行入库、出库、盘点等操作的功能，从而实现高效管理实验室资产的目的。

4 硬件设计

4.1 硬件模块搭建

此系统所需的硬件设备主要有：树莓派、Rpi IRCUT 摄像头、NB-IoT 模块、二维码打印机。NB-IoT 模块通过树莓派GPIO 引脚口相连，Rpi IR-CUT 摄像头通过15PIN FFC（异向）线与树莓派相连[8]，具体架构如图1 所示。

图1 硬件架构图

4.2 硬件功能实现

（1）树莓派摄像头模块实现

通过树莓派摄像头实现的功能主要侧重于对实验室资产所具有的由特定的打印机生成的二维码进行拍照扫描，将采集的图像进行灰度处理，根据RGB 三通道的数值进行加权计算，最终得到灰度图。通过OpenCV[9]识别灰度图的内容，得到资产信息，再交于后端进行相关处理，进而使前端信息实时更新。感知层识别的灰度图如图2 所示。

图2 感知层识别的灰度图

树莓派摄像头功能实现的部分核心代码如下：

（2）NB-IoT 模块实现

NB-IoT 设备SIM7000C 通过MQTT 协议（消息队列遥测传输）接入IoT 云平台。将NB 终端上报的数据发送到IoT 云平台进行处理，由IoT 云平台汇集NB 终端上传的所有数据。其在传输层架构中的位置如图3所示。

图3 基于NB-IoT设备的传输架构示意图

使用pyserial 进行串口通信，控制NB-IoT 模块上报数据，其实现的部分核心代码如下：

5 软件设计

基于NB-IoT 的高校实验室资产管理系统主要由三部分组成[10]，第一部分为树莓派终端的资产出入库的控制程序，第二部分为阿里云云平台和云数据库，第三部分为小程序端的资产信息管理。树莓派终端和小程序共同连接到阿里云云平台和数据库，共同实现对资产的管理。

5.1 树莓派终端软件设计

程序开始执行后，控制NB-IoT 模块连接云平台，只有连接云平台之后才可以执行入库、出库、盘点、查询的操作。当使用入库或出库功能时，此时开启一个子线程，开启摄像头，永久等待监听摄像头获取的信息，直至获取到资产标签信息。获取信息后，弹出窗口，填写入库信息或出库信息，主程序将获取到的信息封装成JSON 格式的字符串，通过串口控制NB-IoT 模块向云平台上报数据，从而实现对资产的入库和出库管理。

树莓派终端的软件流程如图4 所示。

5.2 阿里云云平台端

阿里云云平台作为一个完美的中介，对树莓派传来的不同的资产信息进行判别、归类、处理、保存，又实时地与小程序端进行链接，形成了一个高效传输的数据链路。

NB-IoT 上报后的数据及云端处理的流程如图5所示，云端收集到的数据如图6 所示。

图4 树莓派终端的软件流程图

图5 数据及云端处理图

图6 云平台收集数据示意图

上报的数据为JSON 格式的字符串，在云平台经过规则引擎的处理后，将符合规则的数据保存至阿里云数据库RDS 中，同时执行数据库的触发器，根据上报的数据更新资产信息。

5.3 小程序端软件设计

利用node 中的mysqld 模块与小程序云开发调试功能，微信小程序连接阿里云云数据库RDS，获取通过树莓派保存在阿里云云数据库RDS 的信息，再将资产数据保存在小程序云数据库中，借用云开发技术以及用Java 搭建的后台进行数据的分析、处理与渲染，最终实现设备的入库、出库、设备查询、转移、申请等功能。小程序的主要界面如图7 与图8 所示。

图7 小程序的管理页面与普通页面

整体的框架图，如图9 所示。

图8 库存设备界面

图9 软件整体架构图

小程序端获取设备的相关功能的部分核心代码如下所示：

6 结语

经过实践，本系统的设计通过树莓派终端、PC 端、手机端对高校实验室资产进行有效的监控，对零散和闲置的资产设备进行了妥善的管理，对高校实验室资产管理有一定的帮助性，使得高校实验室设备不仅局限于服务教学，而且通过建立一套管理妥善的系统，更充分地发挥了实验室资产所拥有的价值。