食品检测实验室数字化转型和物联网技术应用标准化的探讨

巩泽龙 杨悦 严烨 屠锦娣 彭辉 李丁一 张美龙

摘 要：为提升食品检测实验室数字化水平，加快信息化建设，将物联网技术应用到传统实验室流程中，在采样阶段、受理阶段、检测阶段、报告阶段及实验室安全的关键环节，通过USB、RS 232、LAN、WIFI、GPRS等扩展接口将检测仪器、监测设备和智能终端同LIMS相结合，基于ADAS、Internet、RTSP、ONVIF、NLP等协议进行数据的传输和利用，构建食品检测实验室物联网系统。该系统降低了人员参与度，提高了数据安全性和准确性，实现实验室标准化规范管理流程，提升了管理水平和效率，保障实验室运行安全，为实验室数字化转型奠定了基础。

关键字：实验室，数字化，物联网，标准化，食品

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.029

0 引 言

传统的检验检测实验室作为人员密集型行业，伴随工业化的不断发展深化，工作效率已难以满足服务制造业快速发展的需要。食品检测实验室作为其中的典型代表，有着实验室环境布局复杂、设施种类繁多、设备类型多样、人员参与环节众多、难以集约化生产的弊端，造成实验室检验效率低下、沟通成本提升、数据退修率高、管理成本不断增加的问题。

近些年，随着信息化技术水平的不断成熟和智能制造技术的不断发展，越来越多的高新技术被应用到传统检验检测行业中[1]：建立实验室信息化管理系统、通过物联网技术实现设备互联、大数据技术汇集数据、云计算技术清洗分析数据、人工智能识别、安全远程监控等。从而规范实验室流程、减少人员参与度、提升数据准确性、提高实验室管理效率、降低运行成本。

国家十四五发展规划中，多次提到对物联网及其相关产业的发展要求和重点，推动传感器、网络切片、高精度定位等技术创新。检测行业依托信息化技术的发展，将实验设备、试剂耗材、环境监测、门禁控制、消防控制、安防报警、视频监控等智能硬件，同先进的实验室信息化管理系统（LaboratoryInformation Management System， LIMS）相结合[2]，实现实验室智能控制，使实验室管理更加科学规范，有效保障实验室的系统运行。

1 数字化转型和物联网技术应用

随着信息化技术的不断成熟，物联网（Internetof Things， IOT）相关技术被应用在众多实验室领域，在一定程度上加快了传统实验室的数字化进程。程序等[3]论述了运用电磁传动和物联网技术实现物料的智能收纳与储存；董雷等[4]论述了依托云计算和物联网技术，实现对实验室设备和安全管理等多方面的智能管理；蔡永华等[5]论述了基于物联网架构的数字化系统，实现有条件数字化的检测设备同信息化系统的互联；齐倩倩等[6]论述了利用基于物联网感知技术的系统，实现实验室设备监测、异常报警和智能巡检等功能；周守宇等[7] 论述了利用SNMP协议技术对仪器设备不同工作状态下的电流电压数据进行监控，实现对仪器设备的绩效考核；麻小娟等[8-9] 论述了运用物联网技术通过前后端分离的形式开发实验室环境监测平台，结合温湿度传感和神经网络PID控制算法，实现对实验室环境的动态监控；苏世雄等[10]論述了利用RFID、无线WiFi技术和电磁锁模块，实现实验室门禁的智能化管理；杨定中[11]论述了基于“区块链+可视化”技术构建可视化追溯体系，实现追溯实验室活动的主体责任、物品使用路径和识别风险隐患等目的。

实验室的数字化转型是一个长期的过程，对于实验室这个管理方向繁多的服务业组织，需要从不同的切入点进行分析，将物联网技术和智能终端相结合并实际运用，才能实现实验室数字化物联和标准化管理的目的。

2 食品检测实验室物联系统设计

2.1 实验室物联网系统关系

食品实验室整体流程可按照阶段划分为采样阶段、受理阶段、检验检测阶段、报告阶段以及安全管理部分。采样阶段配备智能填报终端和打印设备；受理阶段利用扫码设备、标签打印设备和智能样品架/柜同系统进行对接；检验阶段配备具有和系统对接功能的检测仪器、智能样品存储框、扫码设备和智能填报终端；报告阶段配置智能打印机、智能报告柜和满足对接的客户终端。食品检验检测实验室智慧物联关系如图1所示。

2.2 实验室物联网系统逻辑架构

该系统按照五层逻辑构架开发建设，包含数据采集层、传输层、原始数据层、应用服务层及信息展示层。系统总体架构见图2。数据采集层也称为感应层，通过不同的方法采集不同检测/监测终端的数据，存储于不同的数据库。传输层通过RS232、RS484、USB、RJ45等有线通信技术接口获取数据，或通过WIFI、GPRS、蓝牙等无线传输方式获取数据。原始数据层对不同类型的数据分类存储和备份，包括但不限于原始检测图谱数据图、报告库、实验室因子库、预警库、样品库、仪器设备库、试剂耗材库、检测方法库等。应用服务层依照通过不同技术对原始获取数据进行解析、比对和应用，包括但不限于根据原始检测图谱数据生成报告、实验室温湿度记录、实验室高温预警、实验室水位预警、智能门禁警报、气路压力预警、实验室危害因子预警、实验室视频监控等。信息展示层将不同类型数据应用结果分类展示，如大屏展示、系统账号提醒、终端应用程序提醒、声音提醒、颜色提醒等。

2.3 实验室物联网系统安全

实验室数据比较复杂，既有保密性要求高的数据，又有开放性的数据。对于实验室内部数据安全性的防护，系统设置了防火墙，由于防火墙技术仅能满足网络逻辑隔离策略下的数据交换需求，并不能规定物理隔离条件下的信息共享需求[12]。因此需要引入隔离区（Demilitarized Zone， DMZ）技术，DMZ可以认为是一个放置在内网和外网之间的特殊网络区域，通常存储一些非敏感性或公开数据的服务器[13]，作为互联网访问内部数据的容灾缓存区。外网不能直接访问内网数据，仅能访问DMZ区域的数据，保证内部数据的安全性。同时缩短了访问路径，提高了访问数据的响应率。食品实验室智慧物联系统的网络拓扑图见图3。

2.4 系统对接

物联网的实现基于L I M S和自动数据采集系统（Automatic Data Acquisition System， ADAS），通过互联网技术（I n t e r n e t）、实时流传输协议（Real Time Streaming Protocol， RT SP）、开放式网络视频接口（Open Network Video Inter faceForum， ONVIF）、自然语言识别（Neuro LiguisticProgramming， NLP）等多种方式将不同硬件设备和智能终端接入，按照不同接口规范将设备和终端分类，执行不同的数据采集策略，获取回传数据、图谱和图像等信息，供系统分析和利用。

3 食品实验室物联网的功能要求

3.1 样品采集阶段

抽样人员通过抽样APP填写样品信息和抽样记录，在线连接自动打印设备打印委托单等资料，连接自动标签打印机打印样品标识，实现对现场抽样地点定位的记录、抽样环境情况确认、样品基数确认、样品状态确认、抽样过程的信息记录。

3.2 样品受理阶段

利用扫码枪扫描二维码获取被抽样品基本信息，调用产品对应标准数据库确定检验项目和采用方法。根据项目分隔样品，打印分样标签予以标识，待检样品流入实验室智能样品框中，备份样品流入留样室智能样品柜/架留存。

3.3 样品检测阶段

扫描智能样品框二维码查询目标待检样品，样品经预处理（粉碎、切割等）后进行分割，打印样品标签流入检验室智能样品框。检验人员扫码查询目标样品，经预处理上机检测。检测设备通过和系统对接上传检测数据，或系统通过抓取图谱获取数据。数据经系统解析，同时获取实验室环境条件、仪器信息和试剂信息等内容生成原始记录，汇总原始记录结果生成检验报告并自动判定。

3.4 样品报告阶段

检验报告生成后在线进行审核和批准，经自动打印装订机形成正式报告，直接线上发送给客户，或暂存于智能报告柜，对不合格样品在線通知客户并进行预警提醒。

3.5 实验室安全环节

系统实现对温湿度监测设备、高温探测器、水位检测设备、气流压力检测设备、智能门禁设备、视频监控设备、气体泄漏监测设备、危害气体监测设备及颗粒物监测设备等监测/检测设备的数据连接，接口形式不限于USB、RS 232、RS 485、GPIB及LAN等接口，或通过WIFI、GPRS等扩展网络连接。系统针对不同信息的模拟形式进行解析，从而达到监测实验室安全因子的目的。

4 结 语

传统食品实验室的管理较为复杂，根据其运行环节多样性的特点，通过物联网技术的应用，将抽样环节、样品接收环节、检测环节、报告环节和实验室安全等过程中的关键环节从线下转为线上，减少了人员参与的人力成本和干扰，提高了数据准确性和有效性，规范了管理流程，提升了实验室信息化和标准化水平，加快实验室数字化进程。展望未来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能和区块链等信息化新技术的发展和成熟，数字化将会和传统实验室技术融合的更加紧密，实验室的智能化水平将不断提升，实验室检测智慧工厂的目标将有实现的可能。

参考文献

[1]严烨，惠卫甲，杨雯，等.现代化智能实验室平台建设概述与设计[J].中国标准化，2023（19）：192-197.

[2]林鲁春，邵根富，姜周曙，等. 智慧实验室系统的研究与构建[J].实验科学与技术，2020（2）：151-154.

[3]程序，黎佳艺，杨佳瑞，等.智能实验室电子元件收纳与储存装置[J].物联网技术，2023，13（10）：93-96.

[4]董雷，龚聪，高伟坤.基于物联网技术的高校实验教学与实验室综合管理系统设计[J].物联网技术，2023，13（8）：154-158.

[5]蔡永华，李镇，杜进，等.检验检测实验室数字化架构与实践探索[J].物联网技术，2023，13（8）：119-126.

[6]齐倩倩，罗跃逸.实验室智能物联感知平台设计与实现[J].现代计算机，2023，29（12）：94-98.

[7]周守宇，傅文睿，宋兆磊，等.基于SNMP协议的海关实验室仪器设备绩效监控系统研发[J].信息系统工程，2023（6）32-35.

[8]麻小娟，陈世亮，党建林.基于物联网实验室环境远程监测系统的研究[J].计算机测量与控制，2021，29（11）：65-70.

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[10]苏世雄，马新华，杨楠，等.基于物联网的实验室智能门禁系统研究与设计[J].自动化与仪表，2022，37（2）：105-108.

[11]杨定中.“区块链+物联网”实验室安全可视化追溯体系构建[J].实验技术与管理，2022，39（12）：223-228+233.

[12]陈志军，洪莎莎.跨网络信息安全交换平台建设方案研究[J].数字通信世界，2021（5）：80-81.

[13]潘琳琳，付远.网闸和DMZ在气象信息跨网交换中的应用[J].信息与电脑（理论版），2023，35（7）：209-211.

作者简介

巩泽龙，硕士，工程师，研究方向为实验室管理与标准化。

严烨，通信作者，硕士，高级工程师，研究方向为质量检测与实验室建设。

张美龙，本科，助理工程师，主要从事质量与标准化研究工作。

（责任编辑：袁文静）