检验实验室设备数据智能采集系统的设计

摘要：随着互联网技术的发展，对企业信息化管理提出较高的要求，用户如何快速、及时获取准确的信息成为关注的重点。因实验室所用设备接口类型多种多样，对采集数据的实时性具有较高的要求，这种情况下，对实验室设备数据开展采集、分析工作提出更高的要求。下文以检验机构为对象，基于互联网技术深入分析智能采集系统设计需求，提出系统架构及各功能设计情况，以期为类似研究提供一定的参考。

关键字：检验实验室智能采集系统设备数据数据管理

DesignofIntelligentDataCollectionSystemforLaboratoryEquipment

WEIYajuan1，2YELingling1，2*CHENWensheng1LANShuhui1，2

WUWeicheng1BIHaiding1，2

1.GuangxiCo.，Ltd.&nbs79c43b563c243a620ea9eba9bacdfe78f9c68548236ef302b71f585ed38c729bp;ofChinaInspectionandCertification（Group）Co.，Ltd.，Nanning，GuangxiZhuangAutonomousRegion，530022China;2.KeyLaboratoryofBlackMetalMineralProductTestinginFangchenggang，CCICGuangxiServiceCo.，Ltd.，Fangchenggang，GuangxiZhuangAutonomousRegion，538000China

Abstract：WiththedevelopmentofInternettechnology，higherrequirementshavebeenputforwardforenterpriseinformationmanagement.Howuserscanquicklyandtimelyobtainaccurateinformationhasbecomethefocusofattention.Duetothediversetypesofequipmentinterfacesusedinthelaboratory，thereisahighdemandforreal-timedatacollection.Inthiscase，higherrequirementsareputforwardforthecollectionandanalysisoflaboratoryequipmentdata.Thefollowingisanin-depthanalysisofthedesignrequirementsoftheintelligentacquisitionsystembasedonInternettechnology，andputsforwardthesystemarchitectureandthedesignofvariousfunctions，inordertoprovidecertainreferencesforsimilarresearch.

KeyWords：Testinglaboratory;Intelligentcollectionsystem;Equipmentdata;DataManagement

现阶段，我国在实验室方面的研究主要集中于信息处理、传递方面，但对数据智能化采集方面的研究比较少。现代实验室是否满足信息化、智能化要求，不只表现在信息交互方面。如果检验实验室数据采集中，信息化程度受到制约，会直接影响最终结果的真实性。此外，采用手工记录实验结果，极易受到人为主观因素的影响，从而出现记录不全等问题。随着实验室检验任务不断增加，庞大的实验数据、混乱的样品管理方法导致原来的管理流程难以达到实际需求，不便用户进行追溯、查询[1]。基于此，设法提升检验实验室检测能力、工作效率成为急需解决的问题。

1.系统设计原则

实验室设备数据设计的智能采集系统，必须遵循下列原则。

1.1低成本

系统能够实现对于环境的感知，设计的系统包含多个节点，不同节点均要设计一个感知器，必须设法降低各节点使用成本，从而降低整个系统的造价。

1.2便于操作

操作简单作为所设计系统必须考虑的问题，设计系统时要立足于用户视角，为解决实验室日常检验工作中面临的问题进行设计，所设计系统要具有友好的界面，且方便操作。

1.3可靠性高

系统重视做好各部分关键点的监测工作，如对实验室运行设备进行监测等。在此基础上，系统要准确、实时监测所处环境的信息，如果提示环境数据异常，会向管理人员发送提醒信息[2]。高可靠性能由侧面反映系统具有良好的实用性。

1.4可扩展性

因互联网技术正处在不断发展的阶段，具有广阔的发展前景。所设计系统应将其二次开发及升级考虑在内，确保系统添加新功能后原服务并未发生故障或终止。

1.5安全性

所设计系统应确保采集、存储的重要数据不被窃取、篡改，且对于恶意攻击、访问有相应的防御策略，确保数据的完整性、安全性。

2.系统设计需求及整体架构

2.1设计需求分析

从检验实验室视角分析，所设计的智能采集系统最基本的功能在于将所采集的数据上传至数据库完成存储。此外，支持对数据开展分析、加工操作，方便第三方系统调用数据。对未携带工作站的各种设备，主要任务在于采集仪器设备信息。对自身配备工作站的设备，支持对设备数据进行二次采集操作，数据支持类型有：Excel、XML、SQLServer等[3]。在执行数据采集操作后，用户可利用系统对数据进行分析、计算，比较常用的计算规则有：加减乘除、平均数、四舍五入等。分析发现，实验室数据采集主要特点有：与样本或原始数据的关联性、采样频率等。所设计的智能采集系统要支持远程监控，例如：实验环节发生污染或出现声音较大的噪音等均能予以监控。此外，系统还配备远程操作功能，有些设备能够展现一次性结果，部分设备则必须实施调整、更换样品处理。例如：某一设备自带有相应的工作站及软件，支持远程监控；一些设备并未带有工作站及软件，但配备相应的接口，这种情况下，要对这类设备进行开发，形成相应的工作站及软件；还有一些设备缺少工作站及软件，但支持向外部服务器传送数据，可以接受外部的控制。实验室设计的智能采集系统服务包含数据采集、分析、综合应用等，每一类均配置灵活的功能，从而达到用户的使用需求[4]。

2.2整体架构

依据检验实验室所用设备类型，相关设备配置的数据接口格式有串口、文本文件、数据库等。其中，设置的通信服务器主要功能在于读取设备的原始数据，得到类型不同接口的数据。随后，根据制订的解析方案对数据进行拆分，并把执行解析操作的数据传输至管理系统。云服务器主要功能在于完善数据的解析、传输等操作，执行不同设备的采集、分析数据功能。系统启动监听服务程序后，根据设置的频率完成设备相关数据的采集工作，支持采集、接收设备的原始数据。

3.系统各功能设计

3.1总体功能设计

该项目以检验实验室为中心，通过计算机网络技术、数据库等技术结合起来，支持开展采样管理、数据采集、数据管理等操作，形成信息化、智能化的智能采集系统，满足实验检测各方面的管理要求。所设计系统在达到日常管理要求基础上，对实验室相关检验工作予以优化，确保实验室获取数据的可靠性、可追溯性。实验室常用设备不同接口类型如下：TCP/IP、文本文件、串口等。一方面，对实验室各设备设计采集小程序，在服务器上设定各类设备的基本信息，小程序会依据Http协议为实验室传输原始数据，从而实现原始数据传输工作[5]。另一方面，依据最先设置的设备表等对数据执行解析、存储等操作。待数据完成解析后，提供相应的服务能力，如支持将数据传送至第三方服务器、检测数据等。

3.2详细功能设计

实验室使用大量的检验设备，其类型多种多样。因此，设计的系统要将不同格式的数据考虑其中，根据前端交互页面进行配置，从而迅速完成数据采集、解析工作，便于用户调取数据或修改。除此以外，系统配置外部API数据接口，确保采集、传输数据操作的安全性，数据处理过程中其过程可以追踪，系统设计的功能及配置接口便于扩展。

3.1数据管理

3.1.1数据采集

系统配置的采集组件对经过采集数据进行拆分处理，依据系统定义的格式完成上述操作，建立相应的JSON字符串，并把这些信息传送至客户端执行交付操作。针对检验实验室的环境数据执行采集任务时，通过无线传感网络及相应的传感器完成温湿度等环境信息监测工作。传感器作为所设计系统重要的元器件，应与微控制器结合起来对环境数据进行监测。系统配置的微控制器型号为ARMCortex-M3，采用ZigBee模块执行数据无线传输工作，联合传感器感知检验实验室的环境信息。传感器对采集的信号经放大器处理传送至微控制器，利用微控制器执行数据转换操作，经ZigBee传输给服务器，方便进行处理[6]。

3.1.2数据上传

对数据进行上传操作时，包含用户名、连接字符串等信息，借助设备端设计的采集小程序对设备信息、路由地址执行读取操作。

3.1.3数据解析

系统主要功能在于数据解析，其主要划分为基础管理、项管理两类，前者旨在对数据存储方法、设备编码、制作数据表等操作；后者旨在对设备编码、数据所处位置等实施维护。必须注意，对数据进行解析操作比较复杂，包含固定或循环数据项，因此，必须设置相关的解析规则。

3.1.4数据存储

系统支持Windows7以及更新版本客户端，配备SQLServer2012数据库，便于完成数据的存储操作。系统支持对下列数据进行存储：（1）业务管理各项数据信息；（2）对检验数据进行存储，包含原始数据；通过解析处理的数据；（3）其他类型数据予以存储，如通信日志文件等。

3.2物料及试剂管理

物料与试剂管理是一个可以独立使用、专门针对检验实验室设计的应用软件。实现试剂耗材订购申请、订购审批、物品订购、物品接收、物品分发、消耗库存、物品清除的流程。建立标准物质台账，详细记录相关信息，包括批号、有效日期、浓度、不确定度等，可根据供应商、物品、项目、部门、人员等为目标进行追踪查询，汇总后的物资报告会给公司的运作管理带来极有价值的参考。

WppDaVovVp+bkKvIeZOV3w==3.3样品管理

系统指出对样品实施周期管控，包含样品出入库、清除等构成完整的证据链，监控样品自采集至处理整个过程。开展样品交接工作时，系统会记录样品性状、接收时间、数量等信息，利用密码明确交接样本的流程。在此基础上，通过管理人员对样品实施登录签署工作，便于工作人员领取所需样品。

3.4结果批准与审核

按照任务进行数据的批准，对分析完成的数据校核流程，并记录校核过程（如操作人、时间及校核意见），如果发现数据有问题，可以直接退回数据至分析人员，输入退回原因。数据校核时可以查看原始记录，包括图谱、实验室环境条件、仪器使用状况等。

对需分析的样品按样品类型、检测项目等批量取出关联。记录分析时环境条件、使用仪器等信息，并按分析规范选择质控种类，生成唯一的质控批次编号。仪器超出检定/校准有效期，则显示红色进行提醒，检定不合格、停用、废止、维修等状态的仪器无法选用。

3.5报告管理

系统执行报告生成操作时，先要取出工作编号，勾选需要生成报告的样品及其监测项目，可以自动生成符合CMA、CNAS中关于结果报告的相关要求。报告审核后，如果需要退回数据，记录退回原因；退回后，该报告仍保存在浏览界面，方便溯源管理。对报告进行二审，可通过汇总报告查询界面查看报告及整个项目的所有信息，包括监测方案、采样相关信息、样品交接信息等内容[7]。对报告进行三审，可通过汇总报告查询界面查看报告及整个项目的所有信息，包括监测方案、样品交接信息、仪器图谱、质控信息等内容。

3.6仪器设备管理

建立仪器设备台账，记录相关信息，包括仪器名称、型号、编号、使用状态等基本信息。在此基础上，要将器设置的定期校对、核查、期间核查等信息的录入，完成文件的上传操作。限制超出检定/校准有效期或者检定不合格的仪器设备的使用。系统记录仪器的状态修改，包括启用、停用、废止、维修、检定不合格等状态，上传保留相关文件，审核后该仪器，如果处于停用状态，使用界面不再显示该仪器[8]。

4.系统效果分析

为检验所设计的智能采集系统性能是否达标，分别选定C、D这两个案例进行对比，所选案例均是在检验实验室开展的项目，使用的设备及其数量大致相同。在此基础上，C案例每一台设备使用定制开发以及维护方法，D案例则使用本文设计的系统，具体数据如表1所示。这两个项目均使用200台设备对数据进行采集，C案例根据不同设备的接口类型及需求采用定制化方案完成开发，使用开发及维护周期耗费时间较长。加之，实验室对不同设备采集的数据进行调试时，需要重新执行开发、调试工作，使用的维护成本比较高，维护操作难度也有所增加。D项目所用本次设计的智能采集系统，能有效规避C项目面临的问题，便于完成项目的采集、管理工作。

5.结论

总之，基于互联网相关技术针对检验实验室设计的设备数据智能采集系统，确保实验室管理工作中将环境检测、设备管理、研发结合起来，管理人员、开发人员、使用者均可借助无线或有线方法随时查看实验室情况，不仅可以提升系统的传输及响应速度，也能改善实验室管理的效果。本研究在分析检验实验室设备数据采集中的问题，提出设计相应的智能采集系统。研究结果表明，所设计的系统实施中能有效减少成本，且支持高效率采集、分析不同类型数据操作，便于系统后续开展维护和管理工作，为后期大数据分析打下坚实的基础。

参考文献

[1]高玉坤，邓萌，秦挺鑫，等.高校实验室风险信息分类及采集传输系统研究[J].中国安全生产科学技术，2021，17（12）：188-194.

[2]张晋铭，杨洋，文丰，等.基于FPGA的高精度采集系统的优化设计[J].现代电子技术，2023，46（2）：53-56.

[3]刘伟发.面向智慧实验室的实验数据采集评估系统设计与实现[D].桂林电子科技大学，2021.

[4]孙建忠.基于光纤通信的实验室管理数据快速采集系统研究[J].激光杂志，2021，42（6）：117-122.

[5]陈希用.物联网多传感器数据采集系统设计的研究[J].通讯世界，2023，30（9）：172-174.

[6]李易达，汪刘洋，韩雨晓，等.基于ROS系统的作物图像自主采集系统[J].智能化农业装备学报（中英文），2023，4（2）：53-62.

[7]巢喜剑，王云兴.光纤通信的实验室数据快速采集系统[J].激光杂志，2021，42（10）：133-137.

[8]张智，徐桂红.冶金检验实验室设备数据智能采集系统的研究和实现[J].现代信息科技，2023，7（12）：36-38，42.