质检实验室物联网探索

毛慧凤，边增远，李禄源，韩 萌，高东明，华 岩，田牧楠，赵 博

（1.长春工程学院，长春 130012； 2.吉林省产品质量监督检验院，长春 130000）

引言

质检实验室的飞速发展，检测设备的数量、性能和智能化水平越来越高，设备检测能力的提高，同时也增加了实验设备的管理成本，传统方式的管理方法和使用方法亟待改进。质检实验室设备物联网管理系统（以下简称EIOT），建立一套较为科学的智能化管理系统，实现设备的智能管理、数据自动上传、原始数据和检测报告填单自动完成。

EIOT核心要解决实验设备的检测数据的上传和控制信息下达、设备组网、本数据库与质检LIMS数据库的数据对接、以及EIOT的软件设计。质检的业务流程任然通过LIMS管理，检测过程由EIOT完成，不需要实验人员的过多参与，实现实验设备的智能管理。

1 系统组成与功能特点

1.1 EIOT系统组成

传统的实验室设备物联，采用分散控制，设备厂商提供程控方案，设备独立控制。EIOT基于物联概念，对支持通讯功能的实验设备简单改造，经过简单转换后接入网络，对不具备通讯功能的老旧设备进行系统改造，将设备做成智能终端，通过CAN总线连接，并辅以一定的通讯协议，实现实验数据上传和控制信息下达。

系统框架分为三层结构，包括设备层、系统层和用户层。其中设备层是实验室检测设备，有的设备支持TCP/IP协议，有的设备支持485协议，有的设备支持CAN通讯协议，也有的设备不具备通讯功能，需要进行实验设备的入网改造。其中系统层包括了数据路由、软件控制和数据库部分，根据不同的通讯协议，有的支持TCP/IP通讯、有的支持RS485/RS 232通讯协议、有的支持CAN通讯，有的需要改造为CAN通讯，无论采用哪种模式，最终都通过TCP/IP与本地服务器进行交互；本地服务器的数据库通过数据接口与质检系统已有的LIMS系统数据库进行数据交互，同时也作为外网服务器，对于用户层可以通过网络进行远程访问。这样不仅提高了整个系统的可靠性及智能化水平，同时有效控制了系统的改造成本和技术复杂度。

图1

1.2 系统功能特点

与传统的分散式控制系统相比，EIOT具有如下功能特点：

1）集中管理。实验设备产生的测试数据自动上传至服务器数据库，同时根据实验进度安排下达设备控制指令。该操作不仅在系统所在的服务器上可以完成，在具备授权的任何网络节点上都可以完成，本项目采用B/S结构，让控制更为高效便捷。

2）与现有LIMS系统建设规划统一。EIOT与LIMS系统的对接，可极大提高工作效率，在工作流中导入过程数据，节省二次导入带来的操作误差和人员工作强度，尤其面临大数据、高重复性工作时。

3）实验设备的广泛兼容。适应不同的通讯模式，支持TCP/IP通讯、RS232/485通讯、CAN总线通讯，同时对不具备通讯能力的设备改造为CAN通讯后无缝组网。对设备的改造以不影响功能和质保为前提，以数据采集和设备控制为目标，实现低成本高稳定的改造。

4）支持其他智能控制设备或系统的接入。比如实验温湿度控制系统、室内照明系统、门禁系统、视频监控、报警系统、智能VGA小车、ID卡系统等兼容，尽量使用成熟系统的功能，直接调用，降低系统的复杂性。

1.3 系统运行具体流程

系统给每位用户相应的管理权限，给每个实验设备配备唯一的ID的RFID标签，用户使用首先登陆LIMS实验室管理系统（实验室均已普遍使用），录入实验信息，并经过相关的审批流后，由LIMS系统转交至EIOT系统，经EIOT系统授权获得设备使用授权，用户持卡对实验设备刷卡开机（部分设备支持运行参数远程导入），用户按照测试装卡样品开始实验，用IE登录EIOT系统，设置自动导入设备数据（数据种类、频率、停止条件、监护人等信息），设置完毕后，可开始实验，用户可用手机登录EIOT系统，完成实验样品照片录入。

设备按照EIOT系统指令开始工作，需要照片记录时，可选择拍照摄像头自动拍照或者提醒用户录入照片，实验过程如果达到截止条件，则实验结束，汇总实验过程信息，用户可赛选图片信息，加入描述判断性内容，完成原始记录和实验报告，由EIOT系统将工作刘转至LIMS系统，LIMS系统完成实验报告的审批流和财务结算等后续事项。

2 EIOT系统设计

EIOT系统由软件设计和硬件设计两个方面组成，其中软件平台采用LabVIEW为应用开发平台，硬件则以市场上较为成熟的数据采集和通讯转换模块为主，同时设计了一套基于CAN总线的采集和控制模块，下面分别阐述。

2.1 软件设计

LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，可实现脱机的软件模拟，避免开发过程对检测设备的损坏，其软件的稳定性也得到诸多行业的认同，比如上世纪90年代末，美国NASA用Labview开发出“勇气号”和“机遇号”火星探测车的测控系统。许多检测设备的厂家提供了通讯接口和应用实例，可以快速与复杂的检测设备实现无缝对接，同时支持多种数据库格式，如Access、SQL Sever、MySQL等。使从事检测的工程师不必花费更多的时间学习编程也能实现美好的编程目标，实现快速开发的目的。

采用LabVIEW软件设计包括前面板和后台(程序框图)两个部分，前面板是系统的人机交互界面，后台是系统的运行逻辑，采用图形化程序。本系统的前面板主要有主监控界面、控制逻辑页面、历史数据回放、配置界面等4部分组成。主要完成对温湿度的显示、记录报警等功能。后台完成了数据库交互、设备通讯、条件触发、用户层级管理等逻辑，程序框图结构较为方便的理解程序逻辑和快速开发。

2.2 硬件设计

检测设备的通讯方式差异性较大，有的陈旧设备不具备通讯功能，因此有必要设计一套兼容性较强的硬件实现较为完善的双工通讯，包括具有12位A/D功能和10路以上I/O接口的中央控制单元，外围增加了功率放大、Flash存储、TCP通讯和CAN通讯功能，结构图如下：

图2

本系统设计的硬件平台，具有极大的扩展性。具备了采集检测数据、大功率控制、测试数据缓存、逻辑控制方案缓存，同时支持CAN和TCP/IP通讯，打通检测设备的物联。

3 系统运运行状况

本项目在吉林省产品质量监督检验院汽车检测领域实施，完成了环境老化箱、干燥箱、步入式温度箱及机械振动试验仪的远程控制，利用Labview作为开发平台实现了较好的兼容性和稳定性，采用定制的硬件平台涵盖汽车检测设备功能需求，目前软件系统和硬件平台运行良好，具有投资低、适用性强、开发难度低等特点，适合其他检测机构普及使用。

[1]沈瑶，基于物联网的实验设备智能管理系统[J] 光通讯研究 2016（5）：35-38

[2]陆江东，戴卓臣，郑 奋. 基于物联网的智能计算机实验室管理 系统[J]. 电子设计工程，2013，21( 21) : 44-45.

[3]王占军，李 虹，史良伟. 基于物联网架构的实验室智能管理系 统的研究[J]. 工业控制计算机，2014，27( 2) : 118-119.

[4]王 琴，郑 敏. 基于物联网技术的智慧多媒体教室设计[J]. 实 验室研究与探索，2014，33( 3) : 127-130.

[5]吴 良，邹志宏，吴文华，等. 智能实验室管理系统的开发与实践[J]. 实验室研究与探索，2012，31( 5) : 169-172.

[6]邹志宏，吴 良，吴文华，等. 实验开放管理与安全保障[J]. 实验 室研究与探索，2012，31( 7) : 442-444.

[7]周春月，闫子淇. 基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J]. 实 验室研究与探索，2014，33( 5) : 239-243.

[8] 步 春 媛 ，徐 大 华 . 智 能 实 验 室 监 控 系 统 的 设 计 [ J ] . 实 验技 术 与 管 理，2007，24( 7) : 145-147.

[9]冯 达，张震坤，余 轩. 实验室环境温湿度无线监测系统设计 [J]. 实验室研究与探索，2012，31( 2) : 24.