基于多技術(shù)融合的高校實驗設(shè)備安全管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

雷川成 郭陽勇

摘要：該文針對高校實驗室設(shè)備、器材等財物容易丟失、管理混亂等現(xiàn)象，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以視頻監(jiān)控與分析技術(shù)為主，融合RFID、二維碼、條形碼等終端技術(shù)，以及云技術(shù)，構(gòu)建實驗室安全系統(tǒng)。詳細分析了視頻分析與其他技術(shù)融合方法，設(shè)計了實驗室安全管理系統(tǒng)。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地實時識別實驗室的異常情況，提升實驗室的安全與管理效率。

關(guān)鍵詞：多技術(shù)融合;視頻分析;實驗設(shè)備;安全管理

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0197-02

1 背景

實驗室是高校實踐教學的重要場所。近年來，隨著國家對實驗實踐設(shè)備及耗材的持續(xù)投入，高校的實驗實踐環(huán)境及設(shè)備得到極大的改善，滿足了教學與科研需求。但實驗環(huán)境與設(shè)備的持續(xù)增加也帶來了實驗室設(shè)備、器材等財物容易丟失、管理混亂等問題[1]。一般高校通過增加實驗室管理人員，并制定嚴格的實驗室管理制度，或者通過信息化管理軟件等途徑來提高管理效率，但還是不能從根本上解決實驗設(shè)備及器材丟失、損壞而找不到直接責任人等情況。通過視頻監(jiān)控是實驗室安全管理的有效途徑，而傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控需要管理人員長時間盯屏，由于疲勞等情況，常常出現(xiàn)錯報、漏報等現(xiàn)象，在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，通過自動的視頻分析實現(xiàn)實驗室安全管理與預(yù)警，提升管理的效率。通過多種技術(shù)的融合，實現(xiàn)高校實驗室安全管理具有重要意義[2]。

本文針對單一物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)難以高效地完成實驗室設(shè)備安全管理，提出通過多種物聯(lián)網(wǎng)終端采集識別技術(shù)，結(jié)合云技術(shù)實現(xiàn)高校實驗室安全管理，提出了實現(xiàn)方案，并設(shè)計了系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)技術(shù)

多融合技術(shù)是指通過視頻監(jiān)控分析、RFID、條形碼、二維碼等終端采集分析技術(shù)與云服務(wù)技術(shù)融合，構(gòu)建實驗室安全管理系統(tǒng)，為高校實驗室教學與科研服務(wù)。根據(jù)實驗室儀器設(shè)備以及其他物件的特點，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，實現(xiàn)實驗室安全預(yù)警、防范等安全管理，采取以下三種融合。

1）多終端采集識別技術(shù)的融合。視頻監(jiān)控分析通過圖像的處理能夠?qū)崟r分析實驗室場景的變化情況，RFID技術(shù)能夠通過無接觸識別實驗室的物件，條形碼利用反射光通過掃描器對橫向條形碼進行識別進而識別物件，二維碼通過攝像頭對二維碼的識別進而識別物件。通過視頻監(jiān)控分析、RFID、條形碼、二維碼等多終端技術(shù)的融合，能夠提高實驗室安全管理的終端物件的識別率。

2）與云技術(shù)的融合。終端識別技術(shù)與本地服務(wù)器的結(jié)合保障用戶通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)實驗室安全管理。通過本地服務(wù)器加入私有云以及第三方公有云模式，實現(xiàn)實驗室互聯(lián)網(wǎng)跨平臺、多終端應(yīng)用實現(xiàn)實驗室安全管理，提升用戶的使用體驗。

3）識別目標與識別技術(shù)分類融合。根據(jù)識別目標的大小、種類等特點，采用不同的終端識別技術(shù)，保障實驗場所所有物件至少采用一種識別技術(shù)，主要的物件采用兩種以上的識別技術(shù)。視頻監(jiān)控與分析技術(shù)主要應(yīng)用在實驗場所，通過攝像頭實時監(jiān)控實驗場所目標，目標主要包括大中型實驗儀器與設(shè)備、實驗場所柜體桌椅、窗體、門等物件與區(qū)域。無線射頻技術(shù)RFID主要應(yīng)用于門的開關(guān)控制、大中型實驗儀器與設(shè)備的標識管理等。條形碼技術(shù)主要應(yīng)用于小型實驗設(shè)備、實驗耗材等標識管理。二維碼技術(shù)主要應(yīng)用于大中型設(shè)備、實驗場所柜體桌椅等的安全管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框架

多技術(shù)融合高校實驗設(shè)備安全管理系統(tǒng)包括四大部分，如圖1所示。一是物聯(lián)網(wǎng)終端模塊，該部分是本系統(tǒng)采集終端，通過本模塊實現(xiàn)對實驗室場景、設(shè)備、耗材等信息的采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;二是主機系統(tǒng)，即主控制處理器，實現(xiàn)對終端采集信息進行計算、分析、處理及存儲，并實現(xiàn)對終端采集設(shè)備的控制;三是服務(wù)器系統(tǒng)，包括私有云與公有云，私有云服務(wù)器系統(tǒng)實現(xiàn)主要的系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)服務(wù)，包括管理數(shù)據(jù)、終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)等，公有云服務(wù)器系統(tǒng)實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)直播等功能;四是用戶應(yīng)用軟件，包括手機App、桌面WEB，教師、學生及管理員等用戶通過手機App或者瀏覽器實現(xiàn)對實驗室的安全管理。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要包括安全監(jiān)控與處理、安全預(yù)警、直播點播及用戶與權(quán)限等四個功能單元。

3.2.1 安全監(jiān)控單元

安全監(jiān)控與處理單元是本系統(tǒng)的核心模塊，本單元包括視頻監(jiān)控與處理、RFID采集與處理、二維碼采集與處理及條形碼采集與處理等子模塊。使用視頻監(jiān)控，實時采集實驗室視頻圖像， 通過YOLO目標檢測等技術(shù)[3-4]，識別場景物件，分析實驗室場景，對場景變化預(yù)警，同時也是作為實驗室視頻直播的采集終端。RFID采集與處理模塊通過對中大型儀器設(shè)備等目標進行非接觸式身份識別，實現(xiàn)對儀器設(shè)備的出入實驗室及使用進行管理，同時，在實驗室進出入口安裝超高頻RFID，能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的自動身份識別。利用二維碼技術(shù)，二維碼采集與處理模塊實現(xiàn)對實驗室大中型儀器設(shè)備等進行身份識別，對儀器設(shè)備的出入實驗室及使用進行管理。條形碼采集與處理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗耗材、小型實驗儀器設(shè)備等的身份識別。

1）視頻監(jiān)控與處理：通過多紅外線高清攝像頭，實現(xiàn)視頻監(jiān)控全區(qū)域、全天候，對實驗室進行實時監(jiān)控。攝像頭通過有線網(wǎng)絡(luò)連接本地處理控制器，分析識別視頻監(jiān)控中的實驗儀器設(shè)備等，并對實驗室場景的變化進行實時分析，監(jiān)控實驗室的安全情況。

2）RFID采集與處理：系統(tǒng)的RFID標簽信息包含儀器設(shè)備等的名稱、ID號、規(guī)格型號、生產(chǎn)日期、入庫日期、所屬實驗室ID等屬性，通過RFID讀寫器識別RFID標簽，以實驗室為單位，在該實驗室的RFID讀寫器上存儲該實驗室所有RFID標簽信息。在大中型實驗室儀器設(shè)備等上安裝統(tǒng)一型號的RFID標簽，通過RFID讀寫器進行RFID標簽讀寫進而識別身份或者寫入信息，同時，RFID讀寫器連接本地處理控制器。

3）二維碼采集與處理：系統(tǒng)的二維碼信息包含儀器設(shè)備的名稱、ID號、規(guī)格型號、生產(chǎn)日期、入庫日期、所屬實驗室ID等屬性。在實驗室儀器設(shè)備等上粘貼大寫等屬性規(guī)格一致的QR二維碼，通過兩種方式識別二維碼，一種是通過手持式讀碼器進行讀碼識別;另一種是通過移動設(shè)備如手機、平板電腦等，進入本軟件系統(tǒng)的二維碼采集模塊，使用本機攝像頭識別二維碼信息。

4）條形碼采集與處理：主要面向無法使用二維碼的儀器設(shè)備、耗材等，系統(tǒng)的條形碼信息包含儀器設(shè)備的名稱、ID號、規(guī)格型號、生產(chǎn)日期、入庫日期、所屬實驗室ID等屬性。在采集目標上粘貼大寫等屬性規(guī)格一致的條形碼，通過手持式條形碼器進行讀碼識別，并連接本地處理控制器。

3.2.2 安全預(yù)警單元

安全預(yù)警是對實驗室的安全異常進行告知與提醒，本單元主要包括視頻分析預(yù)警、短信預(yù)警及軟件預(yù)警。通過視頻監(jiān)控以及主控制處理器的分析處理，由于實驗室場景的變化，發(fā)出預(yù)警。視頻分析預(yù)警子模塊可以對視頻多級預(yù)警的閾值、預(yù)警模式、預(yù)警對象等進行設(shè)置。短信預(yù)警是通過手機短消息的方式對視頻監(jiān)控分析異常，二維碼、條形碼、RFID方式身份識別異常，以及系統(tǒng)異常進行預(yù)警，直接發(fā)送到目標對象，便于及時處理。軟件預(yù)警子模塊與短信預(yù)警類似，對安全異常通過軟件終端以軟件消息、鈴聲等形式實時告知目標對象。

3.2.3 直播點播單元

直播點播單元通過第三方公有云向用戶直播實驗室實時視頻，用戶可以遠程在線監(jiān)控實驗室的情況，主要應(yīng)用在實驗室上課人多的情況，有利于監(jiān)控實驗室的實時情況，避免安全事故的發(fā)生。通過視頻點播，查看實驗室的歷史視頻，追溯可能的安全事故責任等。本單元可以對點播直播參數(shù)進行設(shè)置，并接入第三方視頻直播點播管理。

3.2.4 用戶與權(quán)限單元

用戶與權(quán)限實現(xiàn)用戶等對象及權(quán)限的管理，包括實驗室管理、用戶管理及權(quán)限管理。實驗室管理包括實驗室場所、儀器設(shè)備、耗材、桌椅等財物的管理。用戶管理包括用戶種類、屬性等的管理。權(quán)限角色管理實現(xiàn)對不同權(quán)限的用戶分配不同的角色，保障每個用戶在系統(tǒng)中擁有的正確的角色，保障其訪問及操作系統(tǒng)的權(quán)限。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)主要工作流程

系統(tǒng)以視頻監(jiān)控分析為主，結(jié)合二維碼、RFID及條形碼身份識別技術(shù)，實現(xiàn)實驗室場景分析，完成實驗室設(shè)備的安全監(jiān)控與管理，主要安全監(jiān)控處理流程如圖3所示。安全預(yù)警主要流程包括：1）系統(tǒng)啟動后，初始化視頻采集處理設(shè)備。如果初始化成功，視頻采集設(shè)備開始進行視頻采集，并在本地服務(wù)器存儲視頻信息，接收到視頻信息，主機系統(tǒng)對視頻進行持續(xù)分析處理，當實驗室場景發(fā)生變化，則通過短信等發(fā)生發(fā)出預(yù)警，由管理人員做安全異常處理。2）通過人為的視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)實驗室安全異常，上報管理人員處理。3）通過對視頻的追溯查看，發(fā)現(xiàn)實驗室安全異常，上報管理人員處理。安全異常處理主要流程包括：系統(tǒng)啟動會，初始化其他采集處理設(shè)備，即RFID、二維碼、條形碼等終端采集及處理設(shè)備，初始化成功后，可以處理視頻自動、人為監(jiān)控及視頻溯源等安全預(yù)警，首先識別處理目標的身份，然后開始安全異常處理，處理成功后，存儲安全信息。也可以通過RFID、二維碼、條形碼等查詢追溯處理實驗室儀器設(shè)備等財物丟失等異常。

4.2 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器包括本地服務(wù)器與視頻云服務(wù)器。本地服務(wù)器端包括支持手機短信的GPRS網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)運行支撐程序，以及與本地物聯(lián)網(wǎng)終端的信息分析與處理程序插件。視頻直播采用騰訊直播云服務(wù)器，使用騰訊云直播 LVB 技術(shù)，視頻直播推流及播放 SDK 采用騰訊云直播提供的 API 開發(fā)包。視頻點播采用騰訊云點播 VOD 技術(shù)[5-6]。系統(tǒng)安全管理端采用 B/S架構(gòu)，使用JSP編程及MySQL數(shù)據(jù)庫。為了保障安全預(yù)警與處理的實時性，開發(fā)了手機安卓版App。

5 結(jié)束語

根據(jù)高校實驗室設(shè)備、器材等財物容易丟失、管理混亂等現(xiàn)象需求，提出了以視頻監(jiān)控與分析技術(shù)為主的多技術(shù)融合方式，設(shè)計了高校實驗室設(shè)備安全管理系統(tǒng)，為高校實驗室財物等安全管理提供了高效的管理平臺，提升了高校實驗室的管理效率。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】