基于物联网的无人实验室设备管理系统的设计与实现

摘要：实验室作为高校与公司培养人才的重要场所，设备管理尤为重要，显然传统人工设备管理模式难以跟上当前发展速度。本文以此为背景研究基于物联网的无人实验室设备管理系统，从现有设备管理系统相互比较入手，介绍本系统的硬件模块构成，随之详谈系统采用的RFID无线射频技术，人脸识别技术以及基于Flutter跨平台框架等主要技术。最后通过技术的结合介绍重要功能的设计与实现，得到一个适用于现代化实验室的稳定性高且安全的无人实验室设备管理系统。

关键字：无人实验室；设备管理；RFID；Flutter跨平台

一、引言

近年来，随着社会与经济的发展，国家也愈发重视科研人才的发掘与培养，因此实验室作为高校与公司的重要场所，较好的管理才能减少不必要的麻烦。传统实验室设备管理一方面是杂乱无章毫无秩序，另一方面是人力消耗过大，存在实验室管理效率低，设备数量不对的情况。所以这也是实验室难以实施规划管理，且公司实验室管理决策不到位的问题。由本文提出对无人实验室设备管理手段的研究与实现，改造设备管理的业务模式，提高设备管理效率与质量。

研究这一系统是为了实现无人化智能化的设备管理体系。减少人力资源成本，提高工作效率。本系统用RFID无线射频技术，人脸识别技术以及OKTTP协议，有效减少实验室重要设备被盗的风险，形成了规范化、制度化的实验室设备管理，为研究人员使用和管理人员对设备的维护提供了极大便利。

用户可以在App端或Web端根据设备需求时间不一进行选择或预约设备，然后前往实验室处进行取用，进入实验室前，用户打开App进行人脸识别确定身份然后获取进入资格，取用常规设备前无须再进行人脸识别，与设备存放处对应的工卡即可取用。取用重要设备前采用人脸识别对用户身份进行匹配。匹配成功后用户即可获取所需的重要设备。实现了一人一卡一门。同时管理人员可以通过后台对设备取用情况进行实时监控抓拍，保障了实验室设备的安全性。

二、现有实验室设备管理方式

在市场现有实验室设备管理系统大致有表1所示的几种，但它们都存在不同程度上的不足，而本文研究的基于物联网的实验室设备管理系统将以下提到的方式合为一体，解决了它们存在的不足，同时提高了实验室设备管理的效率。

三、系统主要硬件模块构造

（一）摄像头模块

采用高清摄像头对实验室进行实时监控以保证其设备安全，通过摄像头远程监控，管理员可以在Web或移动端远程对用户实时动态进行监察。若设备在无权限情况下强制取用，抓拍器立刻抓拍，并将获取的图片传入云端然后发送至管理员端，实时报警。管理员根据得到的情况进行相应处理。

（二） 门禁模块

在实验室入口处设置基于RFID與人脸识别结合构成的门禁，本系统采用RFID-RC522，它发出的射频信号会自动识别目标对象的电子标签，且得到其对应芯片的UID相应信息，这一识别过程可以在无人情况下进行，故无需人干预。再者有摄像头模块的加持，管理员可进行远程监督，操作方便快捷。读卡器采用的是MFRC522为基础，利用射频识别技术，加上SPI协议和ESP8266进行通信。其中由于SPI的结构是一个环形构造，故需要至少4根线才能进行通信，包括MISO、MOSI、SCLK、CS。当状态为1时也就激活了门禁系统，则RC522开始寻卡，从而发出射频信号。

（三）力度传感器模块

此模块应用压电效应，所谓压电效应就是当介质（晶体）受到机械压力时，内部会产生电极化现象，同时在某两个表面产生异种电荷，从而引起介质表面带电；而这种性质称之为压电性[1]。所以在研究中系统在电压达到一定值时，它收到信号后，蜂鸣器会得到信息而发出预警，通过协议传送给管理员。

四、运用技术

（一）RFID无线射频技术

RFID技术，其实就是一种非接触式的自动识别技术，利用无线射频识别扫描目标物体，以非接触自动识别技术为基本原理，将射频信号利用信号获取、分析并通过相应网络协议幻化成可视化信息的技术。射频识别系统（RFID）主要包括四个组成部分，分别是上层企业应用、RFD中间件、阅读器以及电子标签[2]，如图1所示。

本系统通过使用RFID技术将工卡或者用户卡绑定，并与人脸识别技术相结合设置权限，将设备分为普通设备和一般设备，按照权限刷卡和识别人脸方可实现大门和暗箱的开启。在设计中，划分为重要设备的物品需要先进行人脸识别，在刷对应工号，才能达到目的。

（二）人脸识别技术

本系统人脸技术设计流程：1.百度人脸识别；2.上传开门请求（经HTTP协议通过）；3.服务器收到请求；4.下发通知；5.云服务器接收；6.舵机开门。

监控环境与门禁联动实现大门和暗箱的开启。用户在注册时，系统会将人脸录入到本地人脸库。人脸库更新会，待用户下一次若需进实验室时，系统会自动匹配本地库中的记录从而进行比对。

人脸检测：通过检查是否检测到了人脸，然后来实现拍摄的点测光或是对焦， 或协助智辨别出人脸和其他移动的物品并进行智能报警。

人脸识别：检测到人脸并判别是否为所注册或授权的用户来使用设备或是自动装置。

检测人脸时本系统采用基于机器视觉的图像筛选算法，通过高斯滤波等技术确保人脸移动，或在不同角度，低背光环境下等情况都能准确得到和追踪人脸轮廓以及特征点。

（三）OKHTTP协议

OKHTTP协议用于本系统的移动端和WEB端的数据交互，为实现租借、预约、反馈等信息的实时上传与更新做好了基础。通过HTTP使上位机和下位机信息互联，基于机器视觉的图片筛选算法筛选图片，以此协议与APP联动。如果同一服务器上有多个IP地址，在一个IP地址申请失败时，OKHTTP协议就会尝试协助配置另外的IP地址，这样就得以提高APP与WEB端交互稳定性。图2为APP与WEB数据交互流程。

（四）基于Flutter前端技术

Flutter作为当前移动端流行框架，是因为它可以提高工作效率，节约开发成本，本系统利用此技术框架进行开发可以轻松实现APP跨平台运行。同时Flutter框架又拥有其他跨平台框架没有的高性能。主要表现两个方面，首先，Flutter本身自带一个渲染引擎，不用像RN那样通过中间层到原生渲染[3]，减少了性能开销，能够实现高帧率的流畅UI。其次，Dart语言有独特的优势，JIT和AOT两种当下主要的编译方式在Dart语言中都是支持的[4]。

五、系统重点模块设计与实现

（一）APP总体设计

如图3所示，用户注册登录用户界面，可以浏览到所有设备的基本信息和取用情况，用户可以根据自我需求时间自主选择或预约所需产品，填写相关设备信息并提出申请，填写用户基本工卡身份信息。归还时也需填写归还信息并提出申请，与申请流程相似。

（二） 租借模块与归还模块

图4为租借流程，整个实验室采用多个摄像头，实现全方位监控，实现无人化安全管理。用户进仓库前，需要进行人脸识别。人脸识别成功，仓库门会自动打开。人脸识别失败，蜂鸣器报警。

人员进入仓库后，申请租借普通设备或者一般设备时，只需用手机打开App，进入登录界面，在租借界面填写相关信息后，最后点击“申请”。如果是新用户，则点击“注册”，按步骤填写信息进行注册。登录后进入移动互联时代的设备管理的主页，用户可根据自己的需求选择所要租借的设备。或者可以点击“申请预约”，用户需填写个人信息：姓名、工号、时间、租期。再拿工卡刷卡，设备门打开，便可以拿到自己所需设备。申请租借重要设备时，需用手机打开App，进入登录界面，填写相关信息。如果是新用户，则点击“注册”，按步骤填写信息进行注册。登录后进入移动互联时代的设备管理的主页，用户可根据自己的需求选择所要租借的设备。点击“申请”过后会有个人脸识别，人脸识别通过后才可以拿工卡刷卡租借设备。租借成功后，硬件设备上会有一个灯亮，表示租借成功。

同租借设计原理一样，归还流程：虹软人脸识别区分为普通设备与重要设备。

普通设备流程：1.APP申请填写信息；2.刷卡开门；3.归还设备。

重要设备流程：1.APP申请填写信息；2.人脸识别；3.刷卡开门；4.归还设备。

（三）预约模块

预约流程：1.选择商品（点击预约）；2.输入信息（经人脸识别）；3.上传信息；4.进入商品预约界面。

用户注册登录用户界面，可以浏览到所有设备的基本信息和取用情况，用户可以根据自我需求时间自主选择或预约所需产品，填写相关设备信息并提出申请，填写用户基本工卡身份信息。归还时也需填写归还信息并提出申请，与申请流程相似。

（四） 其他模块

信息流转界面：管理员点击菜单栏中的信息流转，可查看不同实验室设备的取用状态及取用用户的基本信息。

管理员后台定位界面：可以将物品在地图上用经纬度表现出来，方便用户寻找。

六、结束语

由于设备价值的不断升高，实验室设备管理成为的重要议题。若设备造成意外损伤或丢失，会给实验室带来严重的财产损失。在本文研究中，主要就是通过此问题并与市场设备管理系统相对比，而引出建立所有技术相结合的现代化无人实验室设备管理系统。本系统集成WEB和APP，基于人脸识别技术、RFID、通信技术、算法技术简化管理流程，提高设备管理工作的效率和管理水平，也降低了管理员的工作难度。通过本文研究，实现移动互联网时代下的无人设备管理系统，实现设备管理工作的规范化、网络化以及无人化。在后续研究中，会继续优化系统各项技术与流程。

作者单位：徐佳欣    金陵科技学院

参  考  文  獻

[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）．

[2]周晓光，王晓华，王伟.射频识别（RFID）系统设计、仿真与应用[M].人民邮电出版社，2008

[3]邓皓瀚.基于Flutter的跨平台移动APP开发前景研究[J].信息与电脑（理论版），2019（15）：197-199.

[4]金诚.移动应用跨平台开发框架的比较分析[J].民营科技，2018（10）：150-152.