基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统

摘要：传统的设备管理方式对设备状态进行监测较为困难，无法满足快速响应的需要。因此，该文提出基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统。首先，在硬件设计方面，构建覆盖整个实验室的无线传感网络；在软件设计方面，系统通过各种传感器和通信模块获取实验室仪器设备的信息，并将信息整合到统一的数据库中，方便查询和使用。其次，利用无线传感网络对仪器设备的运行状态进行监测，获取状态信息，通过终端设备提前预约使用特定仪器设备。测试结果表明，该系统可在线监测设备仪器的状态信息，响应速度较快，可提高实验室的管理效率。

关键词：无线传感网络；高校；实验室；仪器设备；智慧管理系统

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.027

中图分类号：TP 399 文献标志码：B 文章编码：1672-7274（2024）09-00-03

Intelligent Management System of University Laboratory Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Network

XIAO Yi

（Jinzhong Information College， Jinzhong 030805， China）

Abstract： Due to traditional device management methods， monitoring device status is difficult and cannot meet the needs of rapid response. Therefore， a smart management system for university laboratory equipment based on wireless sensor networks is proposed. In terms of hardware design， build a wireless sensor network that covers the entire laboratory. In terms of software design， the system obtains information about laboratory instruments and equipment through various sensors and communication modules， and integrates the information into a unified database for easy querying and use. Secondly， wireless sensor networks are used to monitor the operational status of instruments and equipment， and the obtained status information is used to pre schedule the use of specific instruments and equipment through terminal devices. The test results show that the system can monitor the status information of equipment and instruments online， with a fast response speed， and improve the management efficiency of the laboratory.

Keywords： wireless sensor network; university; laboratory; instrument and equipment; intelligent management system;

随着科技的不断发展，无线传感网被广泛地应用于社会的方方面面。传统的实验室仪器设备管理方式存在着诸多问题。因此，开发基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统具有显著意义。无线传感网络具备实时监测、数据传输和远程控制等功能，使得对仪器设备的监控不再受物理空间的限制[1]。

1 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括传感器节点、网关节点和管理中心三个部分。传感器节点是系统的底层组成部分，负责采集实验室内仪器设备的运行状态和环境参数。每个传感器节点都装有多种传感器，能全面监测实验室内的环境状况。传感器节点还配备无线通信模块，将采集到的数据实时传输到网关节点。

网关节点是系统中继节点，负责接收传感器节点发送的数据，并将其传输到管理中心[2]。网关节点具有较高的处理能力和较远的通信距离，以保证系统的稳定性和可靠性[3]。此外，网关节点可实现与其他网络的互联互通，便于管理。

管理中心通常配备有高性能的计算机、大容量存储设备和实时数据库等，以确保系统能够高效地处理大量数据[4]。在构建基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统时，硬件选型至关重要。本系统硬件选型如表1所示。

2 系统软件设计

2.1 获取实验室仪器设备信息

在系统软件设计方面，通过网络功能模块获取实验室仪器设备相关信息。网络功能模块是系统中非常重要的部分，一方面，将所收到的信息传送给上层，另一方面，利用特殊的媒体存取控制模式，将信息从上层传送出来[5]。在Linux环境下，开发适合DM9000网卡的网络设备驱动，是网络业务实现的前提。图1显示的是网络装置驱动器架构。

该系统扩展节点和传感器及控制器节点间通过网络进行数据传送，扩展节点和PC之间通过串口进行数据传送[6]。

假设实验室预留期内有s个时隙，将其划分为m个子帧，每一个子帧包含l个时隙，那么，在实验室保留期内，通信时隙分配的计算公式为

（1）

式中，是大学实验室预留期内的通信时隙分配结果；是第i个预订周期中的一个槽。在同样的情况下，得到了在实验室中使用时隙的分配公式。

（2）

式中，K是大学实验室在使用时隙的分配情况；是第i个子框架的一个时间槽；是第i个网络节点，该系统正在与之进行通信。在无线传感网络背景下，从实验室中抽取基础数据，然后将其传送到该系统中，并将其保存在数据库内，从而获取到实验室仪器设备相关信息。

2.2 建立实验室仪器设备智能数据库

通过对实验室通信数据和实验数据的采集，构建实验室仪器设备智能化管理与控制数据库。把有关的实验数据存入数据库，减少实验资料的查询时间。下面介绍一种智能化的实验室仪器设备管理与控制系统的基本结构，如表2所示。

由表2可知，系统客户端的各个功能模块都相同，根据用户的账号进行权限判定，从而实现对相应的使用权限界面的访问。当用户登录后，通过查询相应的字段名称，就可以得到与实验室有关的信息，从而缩短查询的时间，提升整个系统的工作效率。

2.3 利用无线传感网络监测仪器设备状态

在高校实验室仪器设备上布设温湿度、烟雾、空气质量、移动、振动等传感器，实时监测设备的运行状态和环境参数。利用无线传感网络技术，将数据实时传输到管理中心。系统对处理后的数据进行分析，通过预设的阈值或算法，判断仪器设备的运行状态是否正常。一旦发现设备运行异常或环境参数超出安全阈值范围，系统自动触发报警机制，通过声光电等方式通知管理人员。设备监测流程如图2所示。

2.4 自动化预约使用仪器设备

在高校实验室仪器设备智慧管理系统中，通过线上自动化流程预约使用实验室仪表装置。学员在取得预约资格后，就可以登录到仪器设备的预约系统中，操作步骤如图3所示。

管理人员按照所提供的样本资料及试验条件，对所提供的样本进行检验，判定其能否用于本装置的检验，或者检验的条件是否适当，是否超过了检验的范围。

预约成功后，预约者可以在预定的时间内到指定的位置参加检测。各机房都由门禁管理，实验人员可随意进出。在预约的人进入实验室之后，所有的仪器设备都装有一个电力控制系统，在预定者登录该系统之后，按下启动键，该电力控制器就会为该试验装置或对应的控制计算机提供电力，该系统会自动地将实际的试验开始时间记录下来。在完成检测后，用户需按下“完成”键，确定检测时间，并填写检测样本的实际数量。

3 系统测试

3.1 测试准备

在实验区域内布置多个传感器节点，与仪器设备进行连接，确保无线通信畅通。启动智慧管理系统，观察系统的启动时间、初始化速度和自检过程。通过终端设备向系统发送仪器设备的监测请求，并记录响应时间。系统测试环境设置如表3所示。

在测试过程中需要确保无线传感网络的覆盖范围、网络连接的稳定性以及实验室仪器设备的配置符合系统运行的要求。确保数据在传输过程中不会丢失或被篡改。

3.2 测试结果及分析

为验证基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统响应用户请求的速度，进行了多次测试，结果如下表所示。

从表4可以看出，随着虚拟用户数的增多，系统响应速度在逐渐变慢，但当虚拟用户数量达到100人时，也就是当同时有100个用户对系统进行并发操作时，实验室A与实验室B系统响应速度分别为2.85 s和2.89 s，符合预期结果。因此，基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统具有较快的响应速度，能够满足高校实验室对仪器设备进行快速监测和管理的需求。

4 结束语

基于无线传感网络的高校实验室仪器设备智慧管理系统具有实时监测、自动化和智能化管理等诸多优势，为高校实验室的管理工作带来了极大的便利。随着技术的不断进步和应用范围的进一步拓展，相信该系统将在未来发挥出更大的作用，为高校的教学与研究工作助力。

参考文献

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[4] 孙陆楠，刘晓东，关朋，等．LIMS在电工设备检测实验室的应用[J]．电气传动，2021，51（20）：60-63．

[5] 王茜，冀晋文，吴刚，等．实验室信息管理系统中仪器设备管理模块的设计与实现[J]．分析测试技术与仪器，2021，27（3）：218-223．

[6] 何永琴，段静静，陈倩，等．“双一流”背景下本科实验教学仪器开放共享管理模式及管理系统的探索与实践[J]．生物工程学报，2021，37（9）：3361-3367．