实验室自助耗材柜设计与应用研究

尹多多　许崇彩　刘昊　杨敏　吴欣雨　王莹

摘  要：随着时代发展，创新能力的提升，实验项目也越来越多，众多的芯片耗材让实验材料的使用变得烦琐，实验耗材的收纳显得尤为重要。该实验室自助耗材柜能夠实现耗材的识别、存取、数量计算等功能，同时构建数据库平台，将实验耗材数目实时更新并上传至服务端，实现实验耗材库存的实时展示，不仅能方便实验耗材的收纳整理，更能准确地提高工作效率。

关键词：芯片耗材柜；ORC识别；SQL Server

中图分类号：TP391.4  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）20-0157-04

Design and Application Research on Laboratory Self-service Consumables Cabinet

YIN Duoduo1， XU Chongcai1，2， LIU Hao1， YANG Min1， WU Xinyu1， WANG Ying1

（1.Suqian University， Suqian  223800， China; 2.Industrial Technology Research Institute of Suqian University， Suqian  223800， China）

Abstract： With the development of the times and the increase of innovation ability， there are more and more experimental items. So many chip consumables make the use of experimental materials become cumbersome， and the storage of experimental consumables is particularly important. The self-service consumables cabinet in our laboratory can realize the functions of identifying， accessing and calculating the amount of consumables. At the same time， it builds a database platform to update and upload the number of experimental consumables to the server in real time，and achieves the real-time display of experimental consumables inventory. The laboratory independent consumables cabinet designed in this project can not only facilitate the storage of experimental consumables， but also improve the work efficiency.

Keywords： chip consumables cabinet; ORC recognition; SQL Server

0  引  言

随着时代的发展，科学技术不断进步，创新能力不断提高，科研水平也日益增高，各种各样的实验项目层出不穷。越来越多烦琐而细小的零件耗材更让实验材料的准备阶段和结束后的收拾阶段变得复杂，实验耗材的收纳显得尤为重要，实验柜中贴着标签的小型收纳箱让人眼花缭乱。如果能将智能化[1]与实验耗材收纳柜所完美融合，对于实验室管理人员及实验指导人员而言，不仅能方便实验耗材的收纳，更能准确地提高工作效率，减少由于耗材选取错误所产生的误差。

数字电路实验室面向电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、人工智能、物联网、机械制造等专业开放，主要实验内容有门电路、编码器、译码器、加法器、计数器、触发器、移位寄存器等实验内容和相应的综合实验课程设计，使用到的芯片种类达到50多种，实验芯片管理极其艰难。

然而传统的实验柜作为实验室的重要组成部分难以满足实验室管理人员的需求，表现出位置杂乱、分类错误、不易整理、难以区别等问题。针对这些问题，结合移动互联网技术，构建数据平台设计打造了实验室自助耗材柜。

本实验室自助耗材柜，可以根据使用耗材的不同，进行不同种类耗材的识别，本项目中的耗材柜主要面向数字电路实验室使用，所以本项目设计的耗材柜识别耗材为芯片型号。

本实验自助耗材柜可根据实验室的耗材的差别，建立耗材种类的数据集，利用深度学习算法对耗材种类进行训练，实现个性化的实验室耗材识别，可广泛应用于各个医疗单位，各类实验室、企事业单位等。

1  总体方案

传统实验耗材整理主要存在两个痛点：实验耗材种类繁多，耗材数目难以统计。每一个痛点都会延缓实验进度，解决以上问题成为本设计需要首先考虑的关键点。耗材管理系统的设计，可分为主要的三个模块：取货、归还、存货。

管理员通过账号登录，实现实验耗材的取货、归还、存货功能，并将相应的数据上传至服务端并更新数据库。

用户通过工号登录，实现耗材的取货和归还功能，通过服务端记录该用户的使用情况，并能够记录该用户使用耗材损耗情况。通过电子秤对实验耗材进行称重，通过耗材总重量除以单个耗材重量，计算出存、取、还三种情况下的耗材数量并上传至服务端，实现耗材的损耗记录，便于耗材统计。

利用图像识别技术，调用百度API库的orc识别技术，对芯片进行图像拍摄，将芯片表面型号转化成文本，实现芯片型号的识别。本耗材柜系统结构图如图1所示。使用人员通过工号登录进入实验耗材柜系统，该系统分为管理员登录和普通用户登录，根据用户的使用需求不同，设计的功能不同。

2  功能模块技术与创新

2.1   耗材柜的总体功能

耗材管理系统的设计主要可分为三个模块：管理员存货、取货、归还。用以解决传统实验柜痛点一——耗材收纳混杂问题，耗材位置难以查找问题，以及传统实验柜痛点二——耗材难以整理问题，耗材数目难以统计问题。因为每一个痛点都延缓了实验进度，解决以上问题成为设计中需要首先考虑的关键点，存、取、还登录界面如图2所示。

2.2  耗材的清点计数功能

采用SQL Server 2012技术[2]：构建数据库平台，将实验耗材数目实时更新并上传至服务端，实现库存的实时展示，管理员及时存入，精准补缺。采用EF+asp.net MVC[3]为基础项目框架，阿里云MQTT通信技术[4]为物联网通信技术[5]，使用C#、.Net FrameWork[6]为本项目的基础开发语言。实现通过屏幕点击选择来控制各个耗材柜的精准查找单独打开、称量计数等的实现。

2.3  耗材的种类的识别

利用图像识别技术[7]和深度学习算法进行图像数据集的训练，能够识别出耗材的种类和耗材的具体型号。调用百度API库的orc识别技术[8]，简单地讲就是图像文字识别并转化为文本文件的技术。通过对芯片进行扫描将上面的文字转化成文本，调用百度API库进行芯片识别。文字识别部分如图3所示。

2.4  耗材的计数功能

通过电子秤对实验耗材进行称重，用耗材总重量除以单个耗材重量，计算出存、取、还三种情况下的耗材数量并上传至服务端，每次称重前要对电子秤进行归零操作，使耗材数量的读取更加精确，称重计数部分如图4所示。

2.5  数据库平台的构建

采用SQL Server 2012技术构建数据库平台，将实验耗材数目实时更新并上传至服务端，实现库存的实时展示，管理员及时存入，精准补缺。通過后台账号可以实时查看数据库相关信息，主要包括：用户信息、角色信息、使用时间、使用芯片信息、库存数量、补货信息等，芯片剩余界面如图5所示。

2.6  应用创新

1）节约耗材寻找时间，提高实验人员效率。使用实验室自助耗材柜实验人员无须依次收纳箱翻看查找所需耗材标签，简单直接的操作方法使整个耗材过程变得简单高效，减少了实验耗材的寻找时间。同时新颖便利的耗材方式也大大提高了实验人员的效率，为实验的进行节约了时间，提供了良好的准备条件。

2）减轻实验室管理员的工作负担。传统的实验柜整理及分布难以寻找，对于实验后器材的整理及清点十分麻烦。通过推动实验室自助耗材柜的使用，可快速精准定位到耗材位置，此项目通过称重方式准确识别出取出及归还耗材的数目，耗材余额一目了然，便于管理人员进行统计和及时补充，大大减轻了实验室管理人员的工作负担，为后续实验进行做好充足准备。

3）提高耗材使用寿命，降低实验消耗。将实验耗材放入柜中，相比于传统实验柜减少由于对收纳箱的位置移动而产生的摩擦，减轻耗材磨损，降低实验室的器材消耗，提高实验耗材的循环利用率，减少了实验成本，降低了实验室的支出负担。同时新型实验柜的研究在耗材消耗数量上也有了一定的统计，减少了实验耗材的浪费行为。

3  耗材柜实物图

1）产品的基本外形、大小与普通实验柜相似，将柜内分为单个小格子，大大节省了空间、提高了柜子的空间利用率，如图6所示。

2）采用称重计量的方法并通过耗材名称准确定位到耗材的位置，方便取材，节约了实验人员的时间，提高实验效率。

3）通过耗材名称查找精确定位耗材位置，避免了传统实验柜耗材混乱的问题，大大保护了耗材，增加了耗材的使用寿命。

4  发展前景

4.1  宏观环境分析

4.1.1  经济与社会环境

目前全国主要实验室仪器生产企业约有13个专业近700家企业。实验室仪器各类仪器装备已发展到13个专业，200多个系列，5 000多个产品品种规格，实验室仪器使用领域越来越广，已涉及各类实验室、企业、医疗卫生、环境保护、教育、制药、航天航空、航海、农林牧渔、建筑、地质、水力等国民经济的各个领域。

4.1.2  人口环境

实验室是学校建设的重要组成部分，是培养学生科学实验能力、生产试验技能和开展科技活动的重要场所。教育行业非常重视实验室的持续建设，在实验室采购方面，长期以来高等教育领域一直是采购的主力军。

4.1.3  科技环境

实验室仪器多是集光、机、电、仪等方面最新技术于一体，涉及光学、机械、电子、计算机、放射等技术领域，配备相当精密的物理与几何光学系统、精密机械系统、电子传感测量系统、计算机控制与数据处理及人机界面系统等。

4.1.4  政治法律环境

从当前的国际和国内科技发展现状分析，建设国家实验室是促进我国国家创新体系建设的重要措施之一。西方先进国家都以不同的形式建立了国家级的科研基地。如美国的国家实验室，日本的理化学研究所、分子研究所，德国的马普研究所等。这些国家级的科研基地为本国及国际的科技发展做出了卓越贡献，在国际科技领域拥有了极高的影响力和地位。

我国科技部于2003年11月批准筹建5个国家实验室。11年来，筹建中的国家实验室在创新科研体系建设和科技创新活动中取得了长足进步，为国家创新体系建设起到了引领作用。

4.2  目前市场中所存在的问题

1）实验柜中层数分布较少，空间利用率低。

2）管理人员寻找合适数量的耗材耗费太多的时间，效率较低。存货需人工进行实时更新并及时补货，管理人员的工作任务较为烦琐。

3）实验室人员人人均可自取耗材，不一定做到及时归还，最终责任者难以追究，浪费了大量的实验资源。

目前市场上暂时还没有一款产品推行来解决这这些问题。随着经济的发展，实验室自助耗材柜的发展具有很大的市场，而且人工智能设备市场规模已破千亿，所涉及的周边产业范围极广。所设计产品的出现解决了实验室耗材消耗问题，提高了耗材寿命，必定能够在市场中占据一定地位，极具发展前景。

4.3  竞争优势分析与发展前景

本项目小组依托于宿迁学院，宿迁学院作为江苏省公办本科高等学校，采用“省市共建，八校联手”的办学体制，在全国地区享有盛誉，并且在创办的几年中高速发展，项目小组专注于嵌入式开发和安卓系统，设有项目负责人一名，指导教师两名，项目成员若干名，由项目负责人带领项目成员在指导教师的帮助下共进协作。本项目实验自助耗材柜风险低，成本低，利润高。作为学生团队规模小、人力成本低、工作积极性强。在政府大力扶持年轻人大众创新万众创业大环境的影响下，项目发展前景极好。

本项目开发的实验自助耗材柜为自主开发，开发成本相对比较低，可以进行不同种类耗材的识别，建立耗材种类的数据集，利用深度学习算法实现个性化的实验室耗材识别，可广泛应用于医疗单位、各类实验室、企事业单位等，具有广阔的发展前景和应用价值，自助柜[9]的发展前景非常可观。智能化正在慢慢地渗透我们的生活，便利我们的生活，我们也將会慢慢接受这种新型的方式。

5  结  论

本项目设计的实验室自助耗材柜不仅能方便实验耗材的收纳，更能准确地提高工作效率，减少由于耗材选取错误所产生的误差。通过使用实验室自助耗材柜带来的效益显著，且随着实验室数目的激增态势在不断地发展壮大，目前此行业相对空白，新型实验柜的出现，可以较好解决传统实验柜所展现出的种种问题，为实验耗材的存放和收取提供了全新的思路与模式。

参考文献：

[1] 张磊，尹建鹏，宋周屹，等.医院耗材智能柜在科室耗材精细化管理中的应用研究 [J].自动化技术与应用，2022，41（1）：48-51+74.

[2] 许谦，李元栋，王彧之.基于SQL Server的高校信息资源管理系统设计 [J].现代电子技术，2020，43（20）：115-118.

[3] 孙红亮，解建军，王新.基于MVC架构的校园门户网站设计与实现 [J].电脑开发与应用，2014，27（4）：20-22.

[4] 李琳杰，赵伟博，齐锴亮，等.基于阿里云的智能大棚远程监控系统研究 [J].自动化与仪表，2021，36（1）：28-30+35.

[5] 张亚林.物联网中嵌入式终端数据远程传输控制系统设计 [J].现代电子技术，2021，44（10）：29-33.

[6] HEMACHANDRAN K，ALASIRY A，MARZOUGUI M. Performance Analysis of Deep Learning Algorithms in Diagnosis of Malaria Disease [J].Diagnostics，2023，13（3）：534.

[7] 赵康佳.基于功率控制RFID的模块化智能柜设计 [D].南京：南京理工大学，2021.

[8] 仇明.基于百度API的文字识别程序设计 [J].襄阳职业技术学院学报，2022，21（5）：64-66+101.

[9] 董文哲.介入手术室“智能柜+SPD”耗材管理模式的构建及应用 [J].现代医院，2020，20（10）：1490-1492.

作者简介：尹多多（2002—），女，汉族，江苏徐州人，本科在读，研究方向：物联网工程。

收稿日期：2023-04-18

基金项目：2019宿迁市AI+智慧医疗重点实验室项目（S202218）；2022年宿迁市科技计划项目（K202205）；2022年宿迁学院大学生创新创业训练项目（2022XSJ058Y，2022XSJ083Y）