基于物联网的实验室设备追溯系统研究

卢民荣，刘林真，张正柱，许邓艳

(1.福建江夏学院 会计学院，福建 福州 350108；2.阳光学院，福建 福州 350116；

3.福建工程学院 软件学院，福建 福州 350001)

基于物联网的实验室设备追溯系统研究

卢民荣1，刘林真2，张正柱3，许邓艳3

(1.福建江夏学院 会计学院，福建 福州 350108；2.阳光学院，福建 福州 350116；

3.福建工程学院 软件学院，福建 福州 350001)

摘要：在分析研究物联网技术和追溯系统特点的基础上，针对高校实验室设备管理现状，设计了一种设备追溯编码方案，该方案引入RFID、GPS和WIFI关键技术来管理实验室设备，实现设备从采购、使用、维护、报废等全过程信息记录和位置跟踪。该系统的实施能有效提升安全防卫能力，优化设备盘点流程，结合排课系统可全面提升实验室智能化管理程度。最后，分析了该系统可能带来的相关影响。

关键词：物联网；追溯系统；RFID；实验室设备；智能管理

中图分类号：TP391.44

文献标志码：码：A

文章编号：号：2095-4824(2015)06-0052-07

收稿日期：2015-03-03

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(JA13366)；福建江夏学院教育教学改革重点资助项目(J2014A003)

作者简介：卢民荣(1981-)，男，福建漳州人，福建江夏学院会计学院讲师，硕士。

随着我国高等教育事业迅速发展，高等学校办学规模不断扩大，高校人才培养目标更加注重应用型人才培养。实验室作为高校培养学生实践能力的重要场所，其建设和管理水平对高校的发展中有着十分重要的作用[1-2]。高校为了满足教学与科研的需要，投入大量经费建设众多实验室，购置大量教学科研仪器设备，使得实验室设备资产的种类和数量大幅增加，迅速提高了实验教学的质量水平。与此同时，为了提高设备利用率和响应实验室共享政策，实验室设备管理越来越复杂，所面临的安全和资产问题越来越多。目前，实验室设备安全方面问题主要有[3-5]：未经许可将实验室仪器设备私自带离实验室，导致实验室设备丢失；学生恶意拆除设备配件影响设备完好率；实验室之间设备共享或借还手续不全，导致资产盘点账目不对应；实验设备器材经常被外借和私自挪用，归还不及时，影响了正常实验教学；小件高价值的设备遗失很难寻回，维修记录不详导致设备运行质量无法保证；一些不法分子将仪器盗走等违法事件一般很难通过传统的手工管理发现和查明。上述问题不仅影响了实验教学，也损害了学校和国家的利益。目前高校的资产管理普遍采用传统管理方式[6]，如采用资产设备卡片或者纸制编号标签。这种管理方式局限于设备的分类管理，对实验室设备安全起到的作用比较小。随着虚拟技术日趋成熟，虚拟实验室建设越来越多，其计算机软硬件价值尤其是服务器成本都比较高，对这类设备实施安全管理尤为重要。因此，有必要使用现代化技术手段改进目前的实验室设备安全管理。

本文主要针对实验室设备安全问题进行探讨，运用物联网技术进行实验室设备安全管理，通过使用射频识别技术，设计适用于高校实验室设备的追溯系统。

1主要技术解决方案

1.1物联网

刘林真(1981-)，女，福建福州人，阳光学院讲师，硕士。

物联网(The Internet of Things，IoT)直译为互联网上的物品，是指物品能够通过全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)等信息传感设备与互联网连接起来，进行物品的定位、跟踪和监控，以实现智能化管理的一种新型网络[7]。物联网可以使用有线或无线的方式把任何物品连接起来，目前国内大部分高校都部署了Wi-Fi无线局域网，实验室基本都有接入Internet或校园网络的设备，为物联网技术在高校中的应用提供了便利。物联网从技术架构层面可分为感知层、网络层和应用层[8]。本文所设计的基于物联网的实验室追溯系统的技术架构如图1所示。在感知层上利用RFID技术获取实验室设备信息，对于重点设备和容易拆解的设备具体管理到设备的配件。在网络层上利用Wi-Fi无线局域网与学校信息中心连接，并根据需要与互联网连接，使实验室设备及配件的信息能够实时与计算机系统通信。本文重点在应用层上研究实验室追溯系统，该层主要利用云计算、模糊识别、追溯设计等各种智能化技术手段，对实验室设备及配件信息进行分析和处理，从而实现对其定位、跟踪、监控及智能化管理等功能。

图1　实验室追溯系统的技术架构

1.2RFID技术

RFID是一种通过射频信号自动地识别目标对象，实现数据智能、快速采集，并自动传输到计算机中的通信技术。该技术与互联网技术结合，能够快速实现物品的定位、追踪和管理。按照应用频率可分为低频、高频、超高频、微波等[9-10]。本系统使用的RFID技术主要硬件包括电子标签、读写器、传递射频信号的天线，根据实验室设备特殊性在追溯系统中进行设计。

(1)电子标签设计。实验室管理人员、教师和学生采用被动读取方式的电子标签进出实验室，该电子标签登记了人员主要信息，并从教学时间上与教务系统关联。通过感应设备读取进出人员信息，系统可以感知实验室进出人员是否有异常，并尽可能与一些重大实验设备产生关联，在计算机类实验室的计算机与学生之间建立一一对应关系。实验设备包括配件进出实验室或实验室总出口采用主动和被动相结合的读取方式，具有标签定位功能。电子标签登记了设备主要信息，与隶属实验室、管理人员、资产编号直接关联，在使用过程中及时更新设备状态，反馈使用信息，在维修过程中登记维修状况，为追溯系统提供从设备采购、使用、维修直至报废等整个环节的信息。

(2)读写器。RFID 读写器不仅为电子标签提供能量和读取电子标签信息，而且在传统的只读功能上增加了写功能[11]。本文设计的追溯系统采用两种读写器，一种面向人员信息的读取，即价格比较低廉的阅读器，另一种是集传送器、接收器和微处理器于一体的读写器，方便实时接收实验设备(含配件)的移动、进出信息，并与计算机通信，实现实时数据分析与处理。

(3)天线。天线主要负责标签和读写器之间的信号传递。为了节约成本，本系统采用价格比较低且技术比较成熟的低频和高频射频信号传递相结合的方式，低频天线主要用于控制人员的进出，而高频天线主要用于控制设备的进出。具体RFID追溯系统工作原理如图2所示。

图2　RFID追溯系统工作原理

2追溯系统分析与设计

追溯系统在国际标准化组织中的定义属于实物范畴，是为了实施追溯体系制定的目标而应用的工具以及硬件设施，在生产和流通的各个环节中具有跟踪和溯源两个基本能力。从2000年开始，我国积极开展食品可追溯技术及相关系统研究，目前在畜禽产品、蔬果和粮油产品等方面的应用研究比较广泛[12]。通过追溯管理系统设定实验室、设备管理位置，突出监测功能，实时监控人员进出、实验设备定位、设备寻回，用于解决实验室设备从采购到报废整个过程中的安全问题，防止实验设备或配件未经许可被私自带离实验室，加强维修智能建账工作，提升实验设备资产盘点便捷性和准确性，有效解决因实验室设备共享导致资产盘点账目不一致等设备管理问题，减少高危、化学等实验室的安全隐患。

2.1追溯系统关键需求分析

本文追溯系统主要围绕电子标签设计、身份验证、设备监测、设备及配件追溯等关键功能实现设备安全管理，各个关键功能具体需求如下：

(1)电子标签设计。系统需要分别对教师、学生、实验室工作者等人员进行信息初始化，将工号、学号等作为标签生成的依据；设备按资产编码结合实验室具体设备、配件特点规划标签编码，确保人和物的唯一性，结合教务系统的排课信息和实验室维修情况为人员、设备进出实验室做好监测的基础数据服务。电子标签设计编码详见追溯编码方案。

(2)身份验证。人员验证、设备的进出、对非法和非正常使用时间进行特殊管理，并根据实验室设备与物品的重要性、危险性和价值大小分级管理。对于重要实验室或高危实验室，严格限制人员和设备的进出。通过验证虚拟实验室资源使用的合法性，扩展对实验室的教学监督功能。

(3)设备监测。主要包括设备位置监测、进出监测，运用三维地图的方式规划实验室地理位置，并对实验室内部使用平面图设计确定设备位置，设定X、Y、Z坐标及正常偏离指数，部分设备不允许移动则不能设置偏离指数。

(4)设备及配件追溯。设备在实际使用和维护过程中，有的会因共享、借用等原因搬离原位置，有的会因维修、损坏后替换重要配件或配件转移到另一设备中。根据设备的电子标签，不仅可以迅速获得采购者、使用者、维护者、报废者等一系列相关经手人的信息，而且能得到设备规格型号、价值、生产日期、厂商以及维修方、维修记录等设备信息。

(5)设备安全管理。通过设备进出实时检测和系统定期自检，结合不定期手工检测设备位置，对于异常信息设置提醒和报警功能。对于高危设备、重点设备、位置不可偏离设备等采用实时检测，通过天线和Wi-Fi实时传输位置信息到计算机系统中，发生异常立即发出警报。

(6)贵重资产定位管理。对于价值比较高的大件设备(如虚拟实验室中服务器)和小件高价值的设备(如某些软件的加密狗)等进行定位管理，以减少遗失，方便人工查找，对异常使用这些贵重资源进行有效监督和控制。

2.2追溯编码方案

追溯编码方案按笔者所在学校资产管理和人员编码规则进行分类设计。一类是人员信息编码，采用全部数字的EAN-13编码方式(如果原始数字为12位则第13位会自动添加)，教师工号和学生学号均为13位，如表1所示。另一类是设备信息编码(含配件编码)，这种编码总体上依据国内高校实验室信息统计代码表进行编制。由于位数比较长，且部分编码包含字母，因此本文采用支持数字、字母的code-39编码方案，具体编码规则如表2所示。

表1　人员信息编码表

表2　实验室设备信息编码表

2.3下位机设计

当教师、工作人员、学生等进入实验室读写器的感应区域时，读写器能快速读取电子标签的身份信息，实时传输到计算机中，通过追溯系统进行身份验证，并将处理结果反馈回来。如果是不合法进入实验室将产生报警信号，其读写操作流程如图3所示。实验室设备或重要配件进出实验室均需要经系统识别合法性，带出实验室的设备均需要经办人使用个人电子标签进行感应识别，在大楼进出口处对于不合法带出能提示保安，其感应流程和工作原理与标签读写基本相同。

图3　RFID人员标签读写流程

追溯系统中对于高价值的小件设备均配备遗失定位和寻回处理功能，通过Wi-Fi技术和无线定位系统，根据具体实验室或逐个实验室启动读写器，实验室设备中电子标签进入读写器的工作区时，可定时向读写器发送信号，以便计算机系统进行定位处理，从而满足寻回要求，方便人工查找和核对，其具体的读写操作流程如图4所示。

图4　RFID设备定位操作流程

3追溯系统在实验室设备管理中的应用

本追溯系统使用C/S模式开发，采用Visual Studio 2013作为开发平台，结合C#语言、XML半结构化数据存储和Windows窗体设计技术进行实现。

3.1智能卡检测管理

通过智能卡检测，追溯系统可以对人员信息、设备信息、实验室使用情况等进行智能管理，将实验室及设备使用记录与相关人员进行关联，实时跟踪和记录实验室设备使用情况。当电子标签进入读写器的感应区域时，读写器初始化串口，读取电子标签信息，并实时传输到计算机系统中。不同功能模块对标签信息的处理各有不同，其读取数据验证方法基本一致。如果读取数据串为空或读取字节范围为零均表示未获得数据。为防止计算机在处理线程时速度过快而遗漏串口数据，一般会在循环读数时让线程暂缓取数，其通用读取数据的核心代码如下：

while (_SerialPort.IsOpen && bThreadStart)

{//当串口初始化后处于打开状态且开启线程

if (_SerialPort.BytesToRead > 0)

{//清除线程数据包缓存,并读取串口数据

Array.Clear(_ThreadBuf, 0, _ThreadBuf.Length);

_BufSize = _SerialPort.Read(_ThreadBuf, 0, _ThreadBuf.Length);

string strData = ByteArrayToHexString(_ThreadBuf);

//如果读不到数据则返回

if (_BufSize == 0 || strData == string.Empty) return;

if (ReadEventHandler != null) ReadEventHandler(strData);

}

Thread.Sleep(300);//防止线程处理过快遗漏串口数据

}

本追溯系统正常读取时会记录人员的进出时间信息。对于异常情况，追溯系统会记录到日志文件中。例如，如果信息读取有误或失败，则提醒需要重新感应；如卡状态不符合实验室要求或不合法进入实验室将产生报警信号。这些信息将全部记录到日志文件并记录到该智能卡的使用记录中，其记录结果如图5所示。

图5　追溯系统电子标签读取记录

3.2设备追溯管理

本追溯系统要求设备在购买时将录入设备相关属性(如设备名称、规格型号、生产厂家、生产日期、采购价格、维修联系方式等)，经检验合格后投入相关实验室并粘贴电子标签，记录其具体物理位置和启用时间，在实验室教学或科研等使用过程中，均通过排课系统、门禁感应等自动记录其详细的使用记录，对工作人员出入实验室要求填写维护记录，保证设备以时间轴为单位进行随时追溯，同时对其他相关记录，如维修、借还、搬迁等均通过工作人员填写相关记录。

(1)向后追溯。通过设备编号可以查找该设备的采购经办人、采购时间、设备生产厂家、生产日期等，通过查询设备投入实验室记录，可以了解设备服务场所以及对应实验室的上课相关记录和工作人员的检查记录，根据设备使用情况可以关联到维修信息，方便了解维修进度和维修情况。通过定位系统将重要设备进行位置监管，实现设备信息的全面、全程跟踪，如位置信息发生变化，则随时记录并反馈给相关工作人员能有效防盗。当设备损坏时，可根据使用记录追踪到相关责任人并根据损坏情况追究相关责任等。

(2)向前追溯。系统可以根据实验室编号和排课系统预先了解相关设备的未来使用情况，通过维修编号可以获得实时的维修数据，以便协调设备使用。教师、学生、工作人员均按系统规定对设备使用、检查进行标识，可以让下次使用者方便地获取该设备的运转情况，以供使用者参考和工作人员维护。实验室设备以实验室为中心进行追溯，将所有与实验室相关的记录进行登记和关联，其信息的关联情况如图6所示。

3.3实验室设备智能盘查

目前，我国高校的实验室智能化管理程度仍然较低，实验室设备种类繁杂，专业性强，而且实验室常处于教学或科研使用之中，传统的现场盘点方式很难实现准确的设备盘查，给资产盘点带来诸多困难。通过追溯系统中实验室设备信息的定位检测功能，资产管理部门对实验室进行盘查时不需要实验室专业人员陪同，不仅可以快速地完成盘点工作，而且能减少人为盘点错误。设备智能盘查功能通过定位技术进行有效、快速的盘点，在盘点时使用移动式感应设备对粘贴在设备上电子标签进行感应，结合设备信息库能有效防止信息不符，尤其对专业性比较强、相似度高、不易辨认等设备非常有效。实验室设备智能盘点流程如图7所示。

图6　实验室设备追溯关联

图7　实验室智能盘点流程

不同设备电子标签信息在实验室设备智能盘查过程中需要分别处理，系统首先从设备上的电子标签获取设备信息，再发送到设备信息库中进行匹配，直至实验室中每个设备核查完成，对未完成盘点的设备均有防遗漏检测提醒，其智能感应的核心代码如下：

public VerifyCode InduceCard(string CardNum)

{

if (!_Active) return VerifyCode.DeviceNoOpen;

System.IO.Ports.SerialPort SP = new System.IO.Ports.SerialPort();

try {

byte[]sendData = new byte[]{0xFE,0x05,0x10,0x52,0x92,0x34};

//发送感应命令

SP.Write(sendData, 0, sendData.Length);

//接收感应信息

byte[]receiveData = GetPortStream(7);

int nStart = FindArray(receiveData,new byte[]{0x07,0x10},0,receiveData.Length);

//分析传递数据包，根据不同电子标签返回

if (nStart < 0) return VerifyCode.Datadelay;

if (receiveData.Length < 7) return VerifyCode.PacketLoss;

bool isVerification = Decomposition(receiveData, 0, receiveData.Length);

if (!isVerification) return VerifyCode.IsVerification;

//根据不同设备信息产生不同的对比结果

if (receiveData[2] == 0x00) {

byte[]cardType = new byte[2] ;

Array.Copy(receiveData, 3, CardNum, 0, 2);

CardNum = ByteArrayToHexString(cardType);

return VerifyCode.Success; }

else if (receiveData[2] == 0xFF) return VerifyCode.Fail;

}

catch

{ return VerifyCode.Abnormal; }

}

4追溯系统相关影响

(1)追溯过程记录。追溯效果的优劣很大程度上取决于其追溯过程记录的完整性，包括从设备采购、使用直到报废等全过程的记录。首先，设备在采购时就要开始建立设备基本信息，包括生产厂商、售后服务和使用注意事项。为了保证数据采集，需要与采购办协调统一接口或按批次、产品系列等辅助信息归集，采购到位后要对设备进行编码设计、打印和粘贴电子标签，而且这个标签将伴随该设备使用、维修直到报废的整个过程。在使用过程中，主要通过实验室排课、智能门禁卡感应等自动产生使用记录，而日常工作检查、维修和借还等操作则需要做好数据录入的辅助工作。另外，在出现设备转移、长期闲置、调整实验室等其他情况时，则需要工作人员按照追溯规则对其实施相应的信息记录，为设备追溯提供了记录依据，这些均需要系统外围辅助实现。

(2)虚拟实验室影响。随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验室建设越来越多，虚拟实验在实验教学中的作用也逐渐得到人们认可，而结合物联网技术设计的多媒体教室实验室，不仅产生了智慧教室和智慧实验室概念[13]，也出现了实验室智能化系统。虚拟实验室对计算机软硬件要求均比较高，建设投入经费比较大，追溯系统对虚拟实验室的硬件管理起到了很大的保护作用，但对虚拟教学软件仍然停留在使用软件加密狗绑定电子标签进行定位管理的水平，为了防止服务授权外泄或未经许可擅自使用，追溯系统还需要对校园网进行管理，但这对高校之间的虚拟实验室共享起到了阻碍作用。

(3)经济效益分析。追溯系统的建设需要计算机软件、物联网设备投入，物联网技术在生产企业、使用单位和售后服务较难形成统一的软硬件服务，追溯系统中数据重复采集，在日常信息维护中一定程度上也增加了数据维护成本。物联网技术在实验室的应用确实能减少设备或配件丢失、降低资产盘点的复杂性，有效提升实验室管理智能化程度，随着高校的实验室规模越来越大，从长远出发，其物联网技术应用的经济效益是可观的。

5结语

在高校实验室的设备管理中，追溯系统确实能提高实验室设备安全管理和盘点效率，促进实验室智能化管理。由于物联网应用尚未广泛普及，对于高校外围相关单位的物联网应用程度仍然有待接口统一，以减少追溯系统中数据采集的工作量。另外，有些特殊实验室设备，在使用过程中受到温度、湿度的影响，电子标签的使用寿命和灵敏度有待进一步提高。为了全面提升实验室智能化管理程度，仍然需要对物联网中各种传感器进行研究。

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(责任编辑：张凯兵)