基于物联网的大型仪器实验室管理系统设计与实现

王雁南，王天天，孙红文，展思辉

（1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350；2.湖北文理学院资源环境与旅游学院，湖北襄阳 441053）

0 引言

大型仪器是高校人才培养、科学研究与社会服务的物质基础与重要支撑。随着高校大型仪器平台的发展，实验室规模不断增大，设备越来越多，贵重仪器数量与种类持续增加。与此同时，高校实验室的特征是实验人员流动性较大，人财物高度集中、安全事故易发［1-3］。传统的实验室管理方法，效率较低，监管不够及时，已经不能满足大型仪器室的安全高效管理。如何推动教学科研大型仪器实验室安全使用与全面开放共享，最大化发挥其价值是新时代高校大仪实验室建设的重要任务［4-5］。

物联网技术指的是通过各种现代化信息技术，如信息传感设备、射频识别技术等，实现对需要监控的物体或过程的全方位信息采集，从而实现物与物、物与人、人与人的全面互联通信，提升对物质世界的感知能力，推动智能化发展［6］。目前，物联网的应用领域已经涉及到方方面面，包括农业、环境、交通、物流、安保等领域，有效地推动了各行各业的智能化、信息化发展［7］。当前，物联网技术也为实验室的信息化、科技化与规范化管理提供了必要条件［8-9］。将物联网技术应用到大型仪器实验室设计，可有效保障大型仪器的安全与相关科研教学工作的顺利开展，同时充分发挥大型仪器实验室的使用价值［10］。

1 现有问题

近年来，高校大型仪器相关配套提升较快，但是由于历史条件、观念、经费和人员素质等原因，大型仪器实验室现阶段在建设与管理中存在着若干问题［11］。①仪器室面积大且位置较为分散，很难对仪器进行统一的管理和调配，只能在各自区域和专业领域内发挥作用；②仪器购置时缺乏长远规划，整合度不够高，资源利用效率低，部分仪器使用率低，年开机机时长达不到国家要求的最低800 h［12］；③实验室安全是高校安全保障工作重中之重，大型仪器室进出人员复杂，人员流动性大，安全使用仪器和实验室水电、门等难以保障，部分学生在老师不在场时，偶有不严格按照实验步骤进行实验的情况发生，存在一定的安全隐患，并且责任追查机制不清晰［13］；④运行机制模糊，无法实现全面开放共享，真正为教学与科研提供全面支撑。实践证明，物联网技术应用在实验室设计与安全管理中可以有效地提高其管理效率［14-15］，将此技术应用到大型仪器实验室设计与管理中，可显著提高实验室管理效率和大型仪器使用率，保障仪器及人财物的安全。

2 整体构架

基于物联网大型仪器实验室管理系统应满足以下需求：提高大型仪器使用效率并保障仪器室安全；为大型仪器长远规划提供数据支持；方便人员管理仪器、设备、试剂等；健全师生使用与准入机制，真正为人才培养提供基础支持；全面提升大型仪器服务水平。基于以上功能需求，系统构架设计如图1 所示。

图1 基于物联网的大型仪器实验室管理系统设计构架

2.1 用户层

目前，大型仪器实验室中参与的人员主要有学校相关管理部门、各院实验室主任与各仪器室管理人员、需要利用仪器完成教学与科研工作的教师与学生以及需要利用高校仪器资源的社会单位与个人。从物联网各系统里为各级用户设置不同的权限，包括后台设置、数据参数设置、数据查看、门禁授权、查看仪器室设备与状态、预约与使用等权限。顺应信息时代的发展，采取多客户端访问可极大方便用户使用。用户可以通过台式机、笔记本、微信公众号与小程序、手机APP等设备按照各自需求，完成相应的操作。

2.2 网络层

网络层用于处理和传递各层信息，包括用户层各种设置和需求、感知层获取的各种信息等。本系统应用ZigBee无线网络来实现短距离的数据传输功能，采集的各类数据接入光纤环网，用户可以使用光纤网络和4G移动数据网络访问，各类数据最终由中央服务器采集后归纳。

2.3 感知层

感知层的作用是对环境状态进行信息采集，相当于人的五官和皮肤等感知系统。本系统中采用了水电计量、摄像头、门禁系统、电子标签和环境传感器等装置共同完成对仪器室环境信息、人员进出与活动情况、设备信息进行采集与上传。其各装置主要功能如下：①水电计量。对水、电情况实时监测，以便进行安全监控与分析统计。②摄像头。对实验室安装全程视频监控，为相关的管理人员提供实验室内的实时信息，方便远程管理和监控；同时，可以利用视频监控的回溯功能对异常情况或安全事故进行追查，为实验室安全提供重要保障。③门禁系统。门禁系统用于管理人员准入信息和记录进出信息。对通过考核的教师和学生开放准入权限，可以自行使用实验室内设备与试剂；进出信息的记录也保障了仪器室使用情况的追溯。④电子标签。电子标签用于设备、耗材、气体与试剂信息储存与管理，包括购买信息、设备信息、使用信息、维护信息、变动记录等，提高固定资产管理效率，规范化管理气体与试剂，保障仪器室安全。⑤环境传感器。大部分仪器都对温度与湿度有一定的要求。对仪器室的温度、湿度进行监测，保证仪器在适宜的环境中正常运行。⑥气体监测。仪器对各种气体需求比较大，安装气体监测探头监测室内各类气体浓度保持在正常值，没有发生任何泄漏，也是保障实验室安全的重要一环。

2.4 应用层

（1）安全管理。通过感知层的数据采集与收集，仪器室管理员可以实时通过多客户端查看管理的仪器室的温度、湿度、气体浓度、仪器设备运行情况、实验室视频监控情况，随时随地对实验室整体情况进行检查。当某一参数超过限值时，会在报警的同时也以短信形式通知实验室管理员或安全员，以便及时采取有效措施，将事故的危害降到最低。

（2）人员管理。对于人员管理，仪器平台首先建立基本安全知识培训体系，同时每个仪器室的管理员建立适合本仪器室的准入考核体系。对申请进入仪器室的人员先通过安全培训和仪器培训后，方可授权进入，而没有获得授权的人员只能在仪器管理员的陪同下进入仪器室使用仪器。人员管理系统也设置信誉考核制度，如有用户恶意预约、不按流程使用仪器、损坏仪器室实验用品等违规操作，扣除信誉积分，扣分超出一定分数后，提醒管理员重新考核用户，保证用户质量，保障实验室安全有序运转。

（3）设备管理。全校各院与研究所等仪器设备信息全部上网，记录基本信息并实时统计使用与收费情况，方便资产管理相关人员查看与管理，对仪器与人员考核等。仪器测试信息公布在测试平台网页，供师生与有测试需求的社会人士查看。同时，网上也可查看设备使用预约情况，方便仪器管理员安排工作和师生安排测试。需使用仪器的师生，先通过培训后获得门禁授权，方可自行预约与使用仪器；需要送样的师生，在网上填写预约单后，由仪器管理员安排送样与测试。如仪器需要暂停使用，进行维修维护或放假安排等，在网上公布信息并锁定对应时间段，以便用户及时查看与安排测试工作。

（4）试剂与耗材管理。仪器平台的试剂购买均通过统一的试剂平台，并使用标签管理，统一存放在单独房间中，危险试剂放置于双人双锁的试剂柜中，需冷藏的试剂如标准品放置在防爆冰箱中。购买与使用记录明确，保障试剂的安全有序使用。仪器的耗材一般按年度购买，及时做好购买日期、更换日期等记录工作，预存耗材保管在试剂间并设有领用记录。

（5）经费管理。大型仪器平台实验室的经费收入主要为学校学院划拨经费支持、仪器测试收费，开支为仪器购买、气体、试剂与耗材购买、办公用品购买、设备维修、实验室升级或改造、人员培训等。经费统一由专人通过财务平台管理，做到统筹规划，收支明确。

（6）环境管理。部分大型仪器对仪器室温度、湿度等要求较高。设置好理想环境参数后，通过感知层的监测，自动调节实验室环境，保障仪器稳定性与数据的可靠性。

2.5 数据层

在新型物联网大型仪器实验室，可以实现多种数据信息的采集，感知层各类装置采集人员活动信息与实验室环境数据；大型仪器平台收集仪器使用信息与测试费收费情况；试剂平台与财务平台统筹各类费用。相关人员通过数据分析，合理配置人员与仪器，使仪器充分运转，对其效益进行准确评估，人员考核有据可依；优化资金调配，为购置、维修与耗材经费的开支提供数据支持，各项资金分配更加公平科学；通过数据进行深度分析，修正不合适的安排，形成更合理的中长期规划，统筹构建高校宏观层面的跨学科与跨领域的大型仪器服务体系。

3 运行机制

（1）完善日常管理制度。建立健全的大型仪器管理制度、安全管理制度、仪器操作规程、仪器损坏、丢失与事故赔偿制度、实验室守则、人员考核制度等，全面保障实验室有序运行。

（2）加强实验室安全管理。实验室安全是教学科研的基础，是实验室安全运行的保障，加强对全体进入仪器室师生的安全教育。在物联网实验室中，健全安全考核系统，将通过考核作为进入实验室必要条件之一；定期进行安全事故演习和训练；定期安全检查与自查，将检查结果与整改记录做好记录。

（3）加强实验队伍建设。加强人员队伍建设，首先要完善约束与激励制度建设，其次提高人员的专业素质。合理设置仪器管理实验人员的工资结构和职称评定标准，加入与仪器管理情况、仪器测试与时长相关的衡量因素，让实验人员工作有热情有方向；加强人员专业培训，提供外出交流机会，提高其业务能力，培养整体素质较高的实验技术队伍。

4 结语

基于物联网的大型仪器实验室的设计，改变了传统大型仪器实验室粗放的管理模式，规范了实验室管理，提高了大型仪器实验室的安全性；整合资源，为师生提供了更多便利；降低了仪器室管理的工作量，提高了仪器开放的效率；各项数据采集为大型仪器平台整体规划提供科学的依据，使得大型仪器实验室的管理更加规范、科学，完善和提升了管理与服务机制，构建了高水平的大型仪器共享平台。