检测实验室标准物质管理系统设计

姚泽波， 施磊奔， 郑坚璐， 李运堂， 富雅琼， 陈 乐

（1.中国计量大学机电工程学院，杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院生物与化学计量研究所，杭州 310018）

0 引 言

随着我国社会经济的迅速发展和检测水平的不断提高，生产生活中的检测需求日益增加，如大型体育赛事中运动员兴奋剂检测［1］、前新冠疫情时代核酸检测［2］、后新冠疫情时代抗原检测［3］等，同时，检测所需的标准物质的需求也增长迅速。标准物质（reference material）是具有足够均匀和稳定的特定特性的物质，其特性适用于测量或标称特性检查中的预期用途［4-6］。对标准物质进行有效的管理控制是当前检测实验室急需解决的问题［7-9］。目前，我国还没有一个成熟的自动化标物管理系统，相关研究主要集中在标准物质的管理制度上［10-12］。

李强等［13］用Excel建立了一套理化实验室标准物质管理系统，黄锦阳［14］开发了标准物质软件系统，黄海霞等［15］建立电子办公系统，实现了标准物质相关信息的规范化、信息化。但系统与人员的交互性低，无法实现标准物质的自动分类存取，仍容易出现标准物质的信息纰漏和标准物质失效的情况。因此设计出更为高效的标物管理方法，以及适用的存储装置及管理系统势在必行。

1 标物优化管理方法

目前实验室对标准物质的管理主要集中在购置、存放使用、核查3 个方面［4-12］。对标物的优化管理目的是提高购置效率和入出库效率，同时保证标物的库存准确度和品质的有效性。在标物购置阶段采用科学的标物分类编码方法，在存放使用阶段采用提高总体存储空间利用率和减小入出库时间的方法，并设计自动化存储装置及信息化管理系统实现上述功能。

1.1 标物分类编码

每个国家发放的标准物质都被赋予标准物质证书号，以解决标准物质多种类大批量难以管理的问题，但对于同一批次的同种标准物质，标准物质证书号是一致的，难以实现同批次不同标准物质最小单元的唯一标识，因此有必要对标物进行唯一编码。标物的信息编码采用字母、数字、下划线组成字符串，编码格式如图1 所示。

图1 标物信息编码格式

第1 标识符代表标准物质的类目，包括：综合类（A）、农林类（B）、矿业类（D）、化工类（G）、冶金类（H）、仪器类（N）、建材类（Q）、纺织类（W）、食品类（X）、环保类标准样品（Z）［16］。第2 标识符代表标物名称，为标物名称的首拼音小写字母。第3 标识符为标物的入库顺序号，该序号在录入系统时自动生成2位数字。第4 标识符为标物的8 位数字有效期。第5标识符代表标物的存储温度要求，数字1 ～4 依次为常温、2 ～8 ℃、4 ～10 ℃和16 ～24 ℃。第6 标识符代表标物的不确定度，为不确定度去掉百分号和小数点后，剩余位补0 组成的4 位数字。

1.2 总体存储空间利用率

标物被分类存放在含有多个箱位的存储装置中，总体存储空间利用率是指每种标物的库存量与该种标物的存放箱位数的比值的总和，定义式为

式中：η为总体存储空间利用率；i 为标物种类；n 为标物种类总数；Qi为i类标物的库存量；Ri为i类标物的存放箱位数。

提高总体存储空间利用率有利于提高实验室标物存有率，降低库存周转压力。在实际存放使用阶段，每种标物的存储空间利用率可以等价为选择存入的箱位中已有标物量与当前存入标物量之和与该箱位允许的最大容量的比值。等价关系式为

式中：Ni为选择存入的箱位中已有标物量与当前存入标物量；N为当前存入标物量；Nimax为该箱位允许的最大容量。

1.3 入出库时间

设工控机在存储装置的竖直平面内的中心位置坐标为（x0，y0），j为箱号，（xj，yj）为j箱在存储装置的竖直平面内的中心位置坐标，那么j 箱的一次入出或出库时间t为

2 系统总体设计

以实现标准物质的准确监控和安全管理为目标，通过计算机、数据库技术和存储柜、传感器等设备的配合，设计了集存储和管理功能于一体的标物优化管理系统。

2.1 系统组成

系统由软件管理平台、标物存储装置硬件系统组成，各模块之间相互关联配合，如图2 所示。

图2 标物管理系统组成框图

在整个系统中，硬件系统采集标物、人员、存储环境信息并传递给软件系统进行处理，软件系统处理后发送相应的控制指令给硬件，实现标物的入出库管理。

2.2 系统架构

系统可以构建物联网的4 层逻辑架构即感知层、网络层、平台层、应用层，如图3 所示。感知层，由各模块的传感器构成；网络层，对标物信息进行存储跟踪，将感知层各节点与系统终端连接，将传感器采集到的数据传输给系统终端；平台层，包括统一开放接口、服务器和数据管理等；应用层，处于最顶层，主要负责管理平台的数据处理及界面操作，包括标物的出入库统计、盘点及管理等。

图3 系统逻辑架构

3 硬件系统设计

硬件系统由电磁锁控制模块、上位机控制模块、人员识别模块、标物入出库模块、存储环境温控模块组成。硬件系统总体结构图如图4 所示。

图4 硬件系统总体结构图

电磁锁控制模块用于实现标物分类存取过程中指定位置的箱门开关，硬件设备包括存储柜、电磁锁和锁控板，采用RS485 串口通信。

上位机控制模块用于处理其他各模块上传的数据，发送操控指令，并进行人机交互界面的显示。硬件设备包括工控机和触摸屏。

标物入出库模块用于完成标物在存储柜中的存入和取出，硬件设备包括条码打印机、扫码枪和人机界面中的虚拟按钮，采用RS232 串口通信和USB通信。

人员识别模块用于识别人员身份，保证系统和标物安全，硬件设备包括摄像头和服务器，采用TCP/IP通信。

存储环境温控模块用于监控标物的存储温度，硬件设备包括冷藏箱、Pt100 铂热电阻和温度巡检仪，采用RS485 通信。

4 软件系统设计

本系统软件采用LabVIEW开发完成，包括标物入出库管理等功能模块的逻辑实现及标物管理系统可视化界面的显示。软件系统设计主要包括4 方面：标物入出库控制、标物信息管理、入出库箱位决策、标物品质保障。

4.1 标物入出库控制功能实现

标物入出库是管理系统最核心的功能，根据标物入出库流程和存储柜实际的库存状况进行标物入出库控制程序的设计，如图5 所示为标物入库流程。

图5 标物入库程序流程

在标物入库过程中，用户在人机交互界面录入标物相关表单信息，校验成功后生成相应编码录入数据库标物信息表，随后打印机打印相应数量的二维码标签并贴于标物包装外表面，经过后台入库决策算法后工控机向存储柜发送开箱指令，用户存入标物后数据库更新入库记录表，此即完成了一批标物的入库。如图6 所示为标物出库流程。

图6 标物出库程序流程

在标物出库过程中，用户在人机交互界面选择标物查询条件，系统查询数据库后判断是否有满足条件的标物，若无则提示采购，若有则提示用户选择标物和出库数量，经过后台出库决策算法后工控机向存储柜发送开箱指令，用户取出标物后扫描二维码标签，数据库更新出库记录表，此即完成了一次标物的出库。

4.2 标物信息管理功能实现

标物信息管理主要包括用户管理、库存查询、异常处理、期间核查等人机交互界面以及通信配置、数据库、报表等后台实现。如图7 所示为标物管理系统结构图。

图7 标物管理系统结构图

通讯配置包括波特率、数据比特、停止位、流控制和奇偶校验位，波特率根据硬件设备设置，其余分别设置为8、1、无、None。

数据库采用MySQL 建立，根据标物管理需求，包括建立标物信息数据库、用户信息数据库、库存信息数据库、使用记录数据库和温度记录数据库。

报表设计主要包括入库表单、出库表单、核查记录表单，其中核查信息报表需包含标物有效期和实际保存温度。

4.3 标物入出库箱位决策功能实现

无论是标物入库还是标物出库，软件均需提供一个合适的存取箱位，在提高总体存储空间利用率和减小入出库时间的基础上实现标物分类存放，如图8 和9 所示分别为标物入库和出库箱位决策算法。

根据（2）式可知，入库时同批次标物应尽量集中存放在同一箱位，出库时应优先选择标物库存较少的箱位。根据（3）式可知，在标物入出库时应尽量选择靠近工控机的箱位。综上考虑，得出一种以总体存储空间利用率为主，以标物入出库时间为次的标物入出库箱位决策。

4.4 标物品质保障功能实现

存储环境温度是标物存储管理的一个重要对象，监控标物的存储温度在要求范围内是确保标物品质有效的重要前提。

温度巡检仪的型号为MIK-R6000F，精度为0.1，量程为0 ～100 ℃，采用RS485 串口通信编程，数据传输格式遵循MODBUS-RTU协议，温度数据以十六进制字符串形式传输，格式为IEEE64。在LabVIEW 中仪器通讯通常采用VISA 配置串口后进行数据读写操作，设置波特率、数据比特、停止位、流控制、奇偶校验位分别为9 600、8、1、无、None。采用应答式与无纸记录仪进行对话，发送数据为8 Byte，1 ～2 Byte 包含仪表地址和发送操作命令，3 ～4 Byte 为寄存器起始地址，5 ～6 Byte为寄存器数量，7 ～8 Byte为CRC校验位。

返回数据格式为9 个字节的十六进制字符串数据。其中第1 个字节表示仪表地址，第2 个字节表示读取操作命令，第3 个字节为返回的数据的字节长度，第4 个字节到第7 个字节即为返回的温度数据，最后两个字节为CRC校验码的高位和低位。

上位机软件接收到返回的数据后，截取4 Byte 十六进制温度数据，采用IEEE 二进制浮点数算术标准（IEEE 754）转换成十进制双精度浮点型温度数据。在采集无纸记录仪返回数据的同时，需要对数据进行转换和记录。由于采集周期不需要很短（≥1 s），系统有充足的时间对采集到的数据进行转换和记录，因此可以把采集、转换和记录程序放在同一个事件分支对应的循环内。而用户触发事件和对应响应则需要采用多线程编程，为了防止数据丢包和竞争，选用生产者-消费者架构。

5 实验测试结果

选取标物存储柜的型号为20 个箱位（10 ×2），顶部两个箱（1 号和11 号）内设有冷藏箱，可调节存储温度，存储柜内初始库存为0。待入库标物包括：空气中甲烷气体标准物质、空气中一氧化氮标准物质、氧中甲烷气体标准物质、氮中硫化氢气体标准物质、氮中乙烷气体标准物质、氮中丙烯气体标准物质（假设需冷藏），数量均为35 瓶，每个箱位的最大容量根据不同箱体尺寸（见图1）设置如下：1 号、11 号为40 瓶，9号、10 号、19 号、20 号为30 瓶，其余为20 瓶。

5.1 标物入库测试

采购员在软件平台录入标物信息后，软件向打印机发送ZPL 格式的打印指令。二维码标签不仅可供系统的扫码枪识别后查询和修改数据库中的标物信息，也可供移动手机直接扫码识别从而快速获取正在使用标物的信息，保证了实验室检测程序的可靠性。

在标物入库界面用扫码枪扫描标签二维码，确认入库后数据库中的标物库存信息成功更改，所有待入库标物入库完毕后，系统库存信息如表1 所示（其中最小库存用于提示采购进货）。

表1 标物库存信息

5.2 标物出库测试

在标物查询界面按名称查询氧中甲烷气体标准物质的库存信息，输入数量后选择自动出库，后端执行如图9 所示的出库算法，5 号箱中库存为15，17 号箱中库存为20，为了实现库存集中度最大化（即节省存储空间），软件自动选择5 号箱出库。

图9 标物出库箱位决策算法

若对于出库标物的其他属性（如生产单位，标准值等）有要求，则手动选择满足该属性的标物出库，如图10 所示。

图10 按条件出库界面

5.3 温度实时采集和记录测试

1 号和11 号箱的冷藏温度设置为20 ℃，箱内温度数据实时采集并传送到上位机显示界面，在系统后台能查看历史温度数据，如图11 所示，温度采集和记录周期均设置为5 s，11 号箱执行标物入出库后，温度从19.5 ℃上升至26.3 ℃。此时报警灯显示红色，提示标物存储状态异常，可有效避免标物长时间处于不合适的存储条件下，同时，历史温度记录可供期间核查，提高核查报告的可靠性。

图11 1号箱和11号箱的温度采集和记录

经测试，标物管理系统的运行状况良好，数据库的标物信息更新与系统装置的各个模块响应紧密联系，标物入库后的系统库存符合该系统设计的优化流程算法，标物出库时提供的可选择标物项完整。用户管理、流水记录、核查管理等其他子功能均可实现，可以实现标准物质的自动分类存储和信息化管理。

6 结 语

标物管理系统可以高效、准确、便捷地对标准物质进行信息化管理，能实时监测和记录标物的存储温度。标物的信息编码方式能保证标物的唯一性，提高了标物的出入库效率和库存准确率。标物入出库算法实现了标准物质的分类存取功能。同时，人员管理和记录查询功能能够完善系统管理制度，保证标物库存安全。该系统为实验室重要物品的管理、降低实验室管理成本提供了技术支撑。