物聯(lián)網(wǎng)技術在實驗室設備信息化中的應用研究

摘要：為促進我國高校教育的普及化發(fā)展，我國提高了對高校實驗室建設的資金支持力度，然而國內(nèi)高校實驗室的信息化程度不高，如何科學有效地維護各類設備、更好地服務高校科研及實驗教學，已經(jīng)成為高校實驗室設備維護中亟待解決的問題。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到實驗室信息化中，借助物聯(lián)網(wǎng)信息采集裝置及設備檢測技術提高實驗室設備維護的信息化水平。

關鍵詞：實驗室信息化 物聯(lián)網(wǎng) 設備檢測 實驗教學

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

高校實驗室信息化的對象主要是各種科研、實驗設備，傳統(tǒng)的實驗室設備維護主要依賴人工，即使相繼出現(xiàn)了射頻識別（Radio Frequency Identification ，RFID）技術、二維碼技術，也主要是由人工完成實驗室的設備維護工作?，F(xiàn)代的實驗室信息化會充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術、智能感知與識別技術等[1]，完成科研設備的狀態(tài)檢測、資源使用，實現(xiàn)從信息采集、傳輸、存儲和處理的全流程信息化，幾乎不需要人工干預?，F(xiàn)代的實驗室信息化可以使實驗員在各種終端設備上即可隨時隨地了解設備相關信息，從而為實驗室設備維護決策提供依據(jù)。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術與實驗室設備信息化維護結合起來，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎設計實驗室信息采集模塊，并對實驗室設備進行檢測識別。

1. 系統(tǒng)設計及其關鍵技術

為了解決實驗室傳統(tǒng)使用模式下普遍存在的設備維護不及時、設備配件遺失頻發(fā)、設備故障引起安全事故等問題，實驗室設備維護信息化應該具備的主要功能如下。（1）實驗室設備狀態(tài)監(jiān)測。采集實驗室設備的電壓、電流等運行數(shù)據(jù)，以此辨別其工作模式、運行狀態(tài)等。（2）設備運行環(huán)境監(jiān)測。監(jiān)測實驗室的溫濕度、空氣質量、氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，避免發(fā)生火災及爆炸事故。（4）實驗室信息化監(jiān)控系統(tǒng)。借助信息采集模塊采集的實驗室設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及實驗室環(huán)境信息數(shù)據(jù)，綜合監(jiān)控實驗室設備，為實驗員提供決策支持[2]。

考慮到上述需求，可以設計實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)技術中的數(shù)據(jù)源頭就是其采集節(jié)點，它借助傳感器技術、射頻識別技術等采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層以MQTT協(xié)議的方式傳遞給后臺服務器。MQTT協(xié)議是一種輕量級的消息傳送協(xié)議[3]，即使在不穩(wěn)定、低帶寬的網(wǎng)絡環(huán)境下也有較好的傳輸效果，因此成為物聯(lián)網(wǎng)中使用最廣泛的協(xié)議。

2. 信息采集與設備檢測識別

2.1 信息采集

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般劃分為3層：感知層、網(wǎng)絡層及應用層[4]。感知層由大量采集節(jié)點組成，所有節(jié)點都可以完成所在區(qū)域的數(shù)據(jù)采集工作。根據(jù)實驗室設備信息化維護的功能需求可知，信息采集模塊需要完成的任務包括采集實驗室設備的運行狀態(tài)、采集實驗室環(huán)境信息、數(shù)據(jù)傳輸?？紤]高校實驗室的特點，實際應用中可以將信息采集模塊分成信息采集節(jié)點及中繼節(jié)點兩部分，采集節(jié)點可以直接將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議或HTTP協(xié)議的方式傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)庫，也可以經(jīng)中繼節(jié)點處理后再傳輸?shù)胶笈_[5] 。信息采集模塊的結構如圖2所示。

信息采集模塊的硬件需要根據(jù)其所處的工作環(huán)境、采集裝置的功能需求而定。對于采集節(jié)點來說，由于它需要完成實驗室設備的電壓/電流、功率等設備信息和實驗室溫濕度等環(huán)境信息的采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此可以考慮使用ESP-12E Wi-Fi模塊；采集節(jié)點并不需要在所有時刻都處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，當實驗室設備未工作時采集節(jié)點也不必要工作。采集節(jié)點的ESP-12E 模塊具備不同的睡眠模式，以適應實驗室不同的工作環(huán)境：沒有實驗設備工作時采集節(jié)點置成深度睡眠模式，此時采集節(jié)點會斷開Wi-Fi連接、處于深度休眠狀態(tài)因此功耗極低；當有實驗設備開機后采集節(jié)點的ESP-12E模塊會正常工作，并采集設備運行狀態(tài)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)。

采集節(jié)點的軟件設計過程中有以下幾點需要注意：（1）采集節(jié)點直接上傳數(shù)據(jù)時ESP-12E會連接路由器網(wǎng)絡，然后通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)胶笈_服務器；當采集節(jié)點處于轉發(fā)模式時，ESP-12E連接的是中繼節(jié)點的熱點，發(fā)送數(shù)據(jù)給中繼節(jié)點后會斷開連接；（2）ESP-12E查詢傳感器的數(shù)據(jù)前會先和從機設備嘗試連接，如果檢測不到從機設備的地址就認為傳感器未連接；傳感器和ESP-12E的MCU通過串口連接，如果串口通信失敗也認為設備未連接；程序通過讀到的電流大小判斷實驗室設備的運行狀態(tài)，如果電流過小就認為設備已關機，從而使采集節(jié)點置于深度睡眠模式。

中繼節(jié)點的功能是對采集節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析處理，因此中繼節(jié)點的核心控制模塊需要具備數(shù)據(jù)處理及運算能力；由于中繼模塊可能會保存多個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，為降低中繼模塊出現(xiàn)故障的概率，中繼模塊的硬件還應該具備低功耗模式；除此之外，為保證網(wǎng)絡質量較差時中繼節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，中繼節(jié)點還應該能夠使用不同網(wǎng)絡環(huán)境下的不同數(shù)據(jù)傳輸方式?；谏鲜隹紤]，中繼節(jié)點的核心控制模塊采用STM32L431微處理器。中繼節(jié)點的功能基于RT-Thread物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)，不同線程完成中繼節(jié)點的不同任務，分別對應不同采集節(jié)點上傳給中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)。

2.2 設備檢測識別

高校實驗室設備的位置和大小一般是固定不變的，但是不同設備在實驗室內(nèi)的尺度分布可能并不均勻。本文以YOLO系列算法對實驗室設備進行檢測和識別。YOLO系列算法把實驗室設備檢測作為一個回歸問題進行求解，YOLOv4算法比之前版本的顯著改進在于引入了一個殘差結構，此結構在識別實驗室設備時會先從頂向下傳遞強語義特征，然后自底向上傳遞強定位特征。YOLOv4算法將設備輸入特征圖的殘差塊拆分為左右兩部分，左面部分只經(jīng)過少量處理，右面部分和原來的殘差塊堆疊后再與左面部分的輸出進行異或運算，這樣就可以得到設備的輸出特征圖。

YOLOv4算法實際應用過程中先驗框的選擇至關重要，由于K-means聚類算法具有良好的聚類效果并且易于實現(xiàn)，因此常被用于YOLOv4算法數(shù)據(jù)集先驗框的聚類。但是K-means聚類算法存在兩個缺陷：（1）聚類結果的精度取決于初始聚類中心的選擇，而初始聚類中心是隨機產(chǎn)生的；（2）當實驗室設備尺度分布不均勻時，K-means聚類算法會使大小相近的設備被分配到不同的檢測頭，對檢測精度有一定影響。為了解決這一問題，本文將實驗室設備數(shù)據(jù)集分為大、中、小三個不同的區(qū)間，通過這種尺度范圍離散化的方式將不同大小的設備分為三類，然后再在各區(qū)間內(nèi)分布進行K-means聚類。

本文以計算機實驗室為實驗對象，對實驗室內(nèi)的顯示器、主機、鍵盤設備進行檢測識別，先從不同時段的實驗室監(jiān)控視頻內(nèi)提取圖像，然后使用LabelImg進行標注，最后進行識別，得到結果。由于選定設備的外觀顏色偏黑，所以不同光照背景對于檢測結果的影響相對顯著。

3. 實驗室設備信息化系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)結構的采集端采集到的數(shù)據(jù)存儲到后臺服務器后，可以在系統(tǒng)前端對其進行分析及展示。本文采用 SSM（SpringMVC、Spring以及Mybatis）框架，這種框架是一種標準的MVC模式，將整個實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)分為表現(xiàn)層、控制層、服務層以及DAO層。實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)的后臺服務程序整體上基于SSM框架，其中DAO層的Mybatis負責和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫進行交互，并為上層提供數(shù)據(jù)庫的訪問接口；服務層的Spring框架完成整個系統(tǒng)的業(yè)務邏輯，并調用DAO層的接口；SpringMVC框架位于控制層和表現(xiàn)層，主要負責業(yè)務流程控制。

數(shù)據(jù)庫采用開源的PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，庫中的表主要包括用戶表、實驗室表、設備信息表、環(huán)境信息表等。用戶表記錄實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)的用戶身份信息，用戶類型包括管理員用戶和普通用戶兩種；實驗室表存儲系統(tǒng)內(nèi)的實驗室基本信息，包括所在校區(qū)、學院等；設備信息表保存采集節(jié)點及中繼節(jié)點上傳的設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如電壓、電流信息等；環(huán)境信息表記錄采集節(jié)點所處實驗室的溫濕度、光照強度等環(huán)境信息。

實驗室設備信息化系統(tǒng)功能上分為用戶模塊、登錄模塊、設備維護模塊、統(tǒng)計報表模塊等。用戶模塊主要是系統(tǒng)管理員使用，完成對實驗室管理員的添加、刪除及信息修改等操作。登錄模塊是整個實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)的入口，用戶輸入的數(shù)據(jù)會用于和數(shù)據(jù)庫的用戶表進行比對，只有登錄信息驗證通過才允許用戶登錄。

設備維護模塊主要是對實驗室內(nèi)設備的生命周期進行維護，當實驗室內(nèi)采購新的設備或者舊設備替換、報廢時，實驗員使用此模塊完成設備的出入庫操作。設備監(jiān)控模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一，其中，一個主要功能是展示由采集節(jié)點和中繼節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息，并以柱狀圖、折線圖以及云圖等方式進行可視化展現(xiàn)；設備維護模塊負責維護采集節(jié)點和中繼節(jié)點上傳的初始數(shù)據(jù)信息，與實驗室表、設備信息表以及環(huán)境信息表相對應，用戶發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)錯誤時可以對其進行修改配置。統(tǒng)計報表模塊為實驗室員提供決策報表，如設備運行狀態(tài)報表、設備環(huán)境數(shù)據(jù)報表等。

4. 結語

本文對物聯(lián)網(wǎng)技術在實驗室設備信息化維護中的應用進行研究，將物聯(lián)網(wǎng)技術與實驗室設備信息化維護工作結合起來，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎設計實驗室信息采集模塊，并對實驗室設備進行檢測識別。首先，本文對實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，并介紹了使用的關鍵技術；其次，闡述了設備信息采集及設備識別的實現(xiàn)方式；最后，對實現(xiàn)的實驗室設備信息化監(jiān)控系統(tǒng)進行說明。

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