物联网技术在实验室设备信息化中的应用研究

摘要：为促进我国高校教育的普及化发展，我国提高了对高校实验室建设的资金支持力度，然而国内高校实验室的信息化程度不高，如何科学有效地维护各类设备、更好地服务高校科研及实验教学，已经成为高校实验室设备维护中亟待解决的问题。将物联网技术应用到实验室信息化中，借助物联网信息采集装置及设备检测技术提高实验室设备维护的信息化水平。

关键词：实验室信息化 物联网 设备检测 实验教学

Research on the Application of Technologies from the Internet of Things Technology in the Informatization of Laboratory Equipment Informatization

SHI Ruihu

（Network Information Center， Wuhan Qingchuan CollegeUniversity Network Information Center， Wuhan， Hubei Province，430070 China）

Abstract： In orderto promote Tthe popularization anduniversal development of higher education in China，China hasve led toan increased intsfundingfinancial support for the construction of university laboratories. However， the level of informatization level of universityin laboratoriesymanagementin domestic universitiesChina is not high， and.Hhow to scientifically and effectively managemaintain various types of equipment andto better serve scientific research and experimental teaching in colleges anduniversities has become an urgent problem to be solved in the maintenance of laboratory managementequipment in colleges and universities. This article applies IoT technology to laboratory informatization management， andso as to improves theinformatization level of laboratory equipmentmaintenanceinformation managementthroughwith the help of IoT information collection devices and equipment detection technology.

KeyWords： Laboratory iInformatization; Internet of Things;Equipment testing;Experimental teaching

高校实验室信息化的对象主要是各种科研、实验设备，传统的实验室设备维护主要依赖人工，即使相继出现了射频识别（Radio Frequency Identification ，RFID）技术、二维码技术，也主要是由人工完成实验室的设备维护工作。现代的实验室信息化会充分利用物联网技术、智能感知与识别技术等[1]，完成科研设备的状态检测、资源使用，实现从信息采集、传输、存储和处理的全流程信息化，几乎不需要人工干预。现代的实验室信息化可以使实验员在各种终端设备上即可随时随地了解设备相关信息，从而为实验室设备维护决策提供依据。

本文将物联网技术与实验室设备信息化维护结合起来，以物联网技术为基础设计实验室信息采集模块，并对实验室设备进行检测识别。

1. 系统设计及其关键技术

为了解决实验室传统使用模式下普遍存在的设备维护不及时、设备配件遗失频发、设备故障引起安全事故等问题，实验室设备维护信息化应该具备的主要功能如下。（1）实验室设备状态监测。采集实验室设备的电压、电流等运行数据，以此辨别其工作模式、运行状态等。（2）设备运行环境监测。监测实验室的温湿度、空气质量、气体浓度等环境数据，避免发生火灾及爆炸事故。（4）实验室信息化监控系统。借助信息采集模块采集的实验室设备的运行状态数据及实验室环境信息数据，综合监控实验室设备，为实验员提供决策支持[2]。

考虑到上述需求，可以设计实验室设备信息化监控系统的整体架构如图1所示。

物联网技术中的数据源头就是其采集节点，它借助传感器技术、射频识别技术等采集数据，并将数据通过网络层以MQTT协议的方式传递给后台服务器。MQTT协议是一种轻量级的消息传送协议[3]，即使在不稳定、低带宽的网络环境下也有较好的传输效果，因此成为物联网中使用最广泛的协议。

2. 信息采集与设备检测识别

2.1 信息采集

物联网系统一般划分为3层：感知层、网络层及应用层[4]。感知层由大量采集节点组成，所有节点都可以完成所在区域的数据采集工作。根据实验室设备信息化维护的功能需求可知，信息采集模块需要完成的任务包括采集实验室设备的运行状态、采集实验室环境信息、数据传输。考虑高校实验室的特点，实际应用中可以将信息采集模块分成信息采集节点及中继节点两部分，采集节点可以直接将采集到的数据通过MQTT协议或HTTP协议的方式传输到后端数据库，也可以经中继节点处理后再传输到后台[5] 。信息采集模块的结构如图2所示。

信息采集模块的硬件需要根据其所处的工作环境、采集装置的功能需求而定。对于采集节点来说，由于它需要完成实验室设备的电压/电流、功率等设备信息和实验室温湿度等环境信息的采集，并实现数据传输，因此可以考虑使用ESP-12E Wi-Fi模块；采集节点并不需要在所有时刻都处于数据采集状态，当实验室设备未工作时采集节点也不必要工作。采集节点的ESP-12E 模块具备不同的睡眠模式，以适应实验室不同的工作环境：没有实验设备工作时采集节点置成深度睡眠模式，此时采集节点会断开Wi-Fi连接、处于深度休眠状态因此功耗极低；当有实验设备开机后采集节点的ESP-12E模块会正常工作，并采集设备运行状态和环境信息数据。

采集节点的软件设计过程中有以下几点需要注意：（1）采集节点直接上传数据时ESP-12E会连接路由器网络，然后通过MQTT协议传输到后台服务器；当采集节点处于转发模式时，ESP-12E连接的是中继节点的热点，发送数据给中继节点后会断开连接；（2）ESP-12E查询传感器的数据前会先和从机设备尝试连接，如果检测不到从机设备的地址就认为传感器未连接；传感器和ESP-12E的MCU通过串口连接，如果串口通信失败也认为设备未连接；程序通过读到的电流大小判断实验室设备的运行状态，如果电流过小就认为设备已关机，从而使采集节点置于深度睡眠模式。

中继节点的功能是对采集节点的数据进行分析处理，因此中继节点的核心控制模块需要具备数据处理及运算能力；由于中继模块可能会保存多个采集节点的数据，为降低中继模块出现故障的概率，中继模块的硬件还应该具备低功耗模式；除此之外，为保证网络质量较差时中继节点数据传输的稳定性，中继节点还应该能够使用不同网络环境下的不同数据传输方式。基于上述考虑，中继节点的核心控制模块采用STM32L431微处理器。中继节点的功能基于RT-Thread物联网系统实现，不同线程完成中继节点的不同任务，分别对应不同采集节点上传给中继节点的数据。

2.2 设备检测识别

高校实验室设备的位置和大小一般是固定不变的，但是不同设备在实验室内的尺度分布可能并不均匀。本文以YOLO系列算法对实验室设备进行检测和识别。YOLO系列算法把实验室设备检测作为一个回归问题进行求解，YOLOv4算法比之前版本的显著改进在于引入了一个残差结构，此结构在识别实验室设备时会先从顶向下传递强语义特征，然后自底向上传递强定位特征。YOLOv4算法将设备输入特征图的残差块拆分为左右两部分，左面部分只经过少量处理，右面部分和原来的残差块堆叠后再与左面部分的输出进行异或运算，这样就可以得到设备的输出特征图。

YOLOv4算法实际应用过程中先验框的选择至关重要，由于K-means聚类算法具有良好的聚类效果并且易于实现，因此常被用于YOLOv4算法数据集先验框的聚类。但是K-means聚类算法存在两个缺陷：（1）聚类结果的精度取决于初始聚类中心的选择，而初始聚类中心是随机产生的；（2）当实验室设备尺度分布不均匀时，K-means聚类算法会使大小相近的设备被分配到不同的检测头，对检测精度有一定影响。为了解决这一问题，本文将实验室设备数据集分为大、中、小三个不同的区间，通过这种尺度范围离散化的方式将不同大小的设备分为三类，然后再在各区间内分布进行K-means聚类。

本文以计算机实验室为实验对象，对实验室内的显示器、主机、键盘设备进行检测识别，先从不同时段的实验室监控视频内提取图像，然后使用LabelImg进行标注，最后进行识别，得到结果。由于选定设备的外观颜色偏黑，所以不同光照背景对于检测结果的影响相对显著。

3. 实验室设备信息化系统

物联网结构的采集端采集到的数据存储到后台服务器后，可以在系统前端对其进行分析及展示。本文采用 SSM（SpringMVC、Spring以及Mybatis）框架，这种框架是一种标准的MVC模式，将整个实验室设备信息化监控系统分为表现层、控制层、服务层以及DAO层。实验室设备信息化监控系统的后台服务程序整体上基于SSM框架，其中DAO层的Mybatis负责和PostgreSQL数据库进行交互，并为上层提供数据库的访问接口；服务层的Spring框架完成整个系统的业务逻辑，并调用DAO层的接口；SpringMVC框架位于控制层和表现层，主要负责业务流程控制。

数据库采用开源的PostgreSQL数据库，库中的表主要包括用户表、实验室表、设备信息表、环境信息表等。用户表记录实验室设备信息化监控系统的用户身份信息，用户类型包括管理员用户和普通用户两种；实验室表存储系统内的实验室基本信息，包括所在校区、学院等；设备信息表保存采集节点及中继节点上传的设备运行状态数据，比如电压、电流信息等；环境信息表记录采集节点所处实验室的温湿度、光照强度等环境信息。

实验室设备信息化系统功能上分为用户模块、登录模块、设备维护模块、统计报表模块等。用户模块主要是系统管理员使用，完成对实验室管理员的添加、删除及信息修改等操作。登录模块是整个实验室设备信息化监控系统的入口，用户输入的数据会用于和数据库的用户表进行比对，只有登录信息验证通过才允许用户登录。

设备维护模块主要是对实验室内设备的生命周期进行维护，当实验室内采购新的设备或者旧设备替换、报废时，实验员使用此模块完成设备的出入库操作。设备监控模块是系统的核心模块之一，其中，一个主要功能是展示由采集节点和中继节点上传的数据信息，并以柱状图、折线图以及云图等方式进行可视化展现；设备维护模块负责维护采集节点和中继节点上传的初始数据信息，与实验室表、设备信息表以及环境信息表相对应，用户发现采集数据错误时可以对其进行修改配置。统计报表模块为实验室员提供决策报表，如设备运行状态报表、设备环境数据报表等。

4. 结语

本文对物联网技术在实验室设备信息化维护中的应用进行研究，将物联网技术与实验室设备信息化维护工作结合起来，以物联网技术为基础设计实验室信息采集模块，并对实验室设备进行检测识别。首先，本文对实验室设备信息化监控系统进行设计，并介绍了使用的关键技术；其次，阐述了设备信息采集及设备识别的实现方式；最后，对实现的实验室设备信息化监控系统进行说明。

参考文献 ：

[1] 郑禄.开放实验室的智能监测与控制系统设计[J].电子技术，2023（12）：396-398.

[2] 高璐，贾良权.新工科背景下智云嵌入式系统应用实验室构建[J].科技通报， 2023（10）：105-110.

[3] 湾晓芳.物联网+大数据技术下实验室建设前景[J].数字通信世界，2023（9）：155-157.

[4] 陆璐. 高校实验室安全管理评价体系研究[D].上海：上海海洋大学，2023.

[5] 董愫铭.基于物联网的实验室环境监测系统研究[J].长江信息通信，2023（8）：148-150.