基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍隊院校實驗室管理探究

馬國勝， 楊鷺怡

(1.電子工程學院，安徽 合肥 230037； 2. 陸軍軍官學院，安徽 合肥 230031)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍隊院校實驗室管理探究

馬國勝1， 楊鷺怡2

(1.電子工程學院，安徽 合肥 230037； 2. 陸軍軍官學院，安徽 合肥 230031)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術進行現(xiàn)今軍事院校實驗室管理工作，改造傳統(tǒng)的實驗室管理的模式，是新技術應用的大膽創(chuàng)新。文中從管理系統(tǒng)的整體構架入手，分析物聯(lián)網(wǎng)技術在軍內高校的實驗室日常管理應用的特點，將RFID標簽、讀寫器、無線設備接入點、數(shù)據(jù)處理服務器等硬件設備和中央處理等各個智能管理軟件系統(tǒng)融合在一起，實現(xiàn)除日常管理之外的實驗室環(huán)境安全監(jiān)測管理以及實驗室設備應用集成的創(chuàng)新，從而達到利用先進的網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)實時的遠程控制，真正地實現(xiàn)實驗室管理的自動化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化和實時化的目標。

物聯(lián)網(wǎng)技術； RFID技術； 實驗室管理； 網(wǎng)絡化； 信息化

0 引 言

軍校實驗室是我軍高校進行科研、教學的最重要的場所，其作為院校中“三大支柱之一”，在新型軍事人才培養(yǎng)等方面起著不可替代的作用。因此，實驗室管理水平在一定程度上直接反映了該院校的總體管理水平，也直接影響到高素質的新型軍事人才的培養(yǎng)。

目前軍校的實驗室管理主要存在信息系統(tǒng)自動化程度低、管理制度監(jiān)督力度不夠、小型儀器設備容易丟失、大型儀器設備較難維護、資產共享開放程度不夠、實驗環(huán)境安全不夠等問題?，F(xiàn)今的管理方式主要還是依賴管理人員手動操作管理及依靠實驗室規(guī)章制度的硬性約束管理。為了從根本上實現(xiàn)實驗室管理的自動化、智能化和實時化，目前日趨成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術是可以融入并應用到其中的一種最佳選擇。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展及應用

物聯(lián)網(wǎng)是指通過RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，以有線或無線的方式把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以計算、存儲、分析等處理方式構成所關心事物的動態(tài)和靜態(tài)的信息知識網(wǎng)絡，用以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[1]。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理、無處不在的特點，被譽為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后的又一次信息化產業(yè)的浪潮，物聯(lián)網(wǎng)拓展了互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展空間，推進了RFID等新興產業(yè)技術的發(fā)展和應用領域技術的創(chuàng)新研究，物聯(lián)網(wǎng)受到了各國政府、企業(yè)界和學術界的高度重視，歐盟、美國、日本等國甚至都己將之列入其國家和區(qū)域型的信息化戰(zhàn)略[2]。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天，其應用領域已非常廣泛，在高校實驗室管理中，應用最為廣泛的還是物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術中的RFID技術，例如，麻省理工學院的電子研究實驗室利用EPCGen2無源RFID標簽來追蹤和管理上千份文件[3]，大大提高了實驗室文件的管理效率。電子門禁系統(tǒng)也已普遍運用于我國高校和軍隊院校實驗室的入口處，替代了原有傳統(tǒng)的“手工登記薄”，不僅大大方便了實驗室進出人員的統(tǒng)計，極大地增強了實驗室的安全系數(shù)[4]。

但實驗室管理的是綜合的，多方面的，在軍隊院校中，物聯(lián)網(wǎng)技術應用還十分有限。就目前軍隊院校的實驗室管理現(xiàn)狀來看，還基本局限于某一領域的技術或設備簡單的橫向擴展，尚未注重實現(xiàn)更為緊密的縱向聯(lián)系。為此，我們嘗試提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍隊院校實驗室管理初步方案，旨在為了真正實現(xiàn)便捷的、智能化的、實時的軍隊實驗室管理模式。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍校實驗室管理方案

針對物聯(lián)網(wǎng)技術應用于軍校實驗室管理這個課題進行探索性分析，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍隊院校實驗室管理的初步方案，主要分硬件、軟件系統(tǒng)及系統(tǒng)架構三部分來進行研究。

2.1 實驗室管理方案中的硬件部分

硬件部分主要包括：射頻識別RFID標簽、讀寫器、無線設備接入點、數(shù)據(jù)處理服務器等。

RFID是一種應用于信息采集系統(tǒng)的非接觸式的自動識別技術，它可以工作于各種惡劣的環(huán)境，可以識別高速運動的物體，并可同時識別多個標簽，能夠快速地實現(xiàn)物體的追蹤和管理，擁有高可靠性、強保密性、方便快捷等特點[3，5]。

RFID主要由電子標簽、讀寫器及天線三部分組成。每個電子標簽的電子編碼都是唯一的，附著在需要標識的物體上[6]。讀寫器可用于標簽內數(shù)據(jù)和信息的識讀及寫入。當標簽進入閱讀區(qū)域時，標簽能夠接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的物體信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號。讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理工作。整個射頻識別的鏈路包括閱讀器、防碰撞算法、電子標簽及協(xié)議標準[7]。

2.2 實驗室管理方案中的軟件系統(tǒng)

(1) 中央處理系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)是整個軟件系統(tǒng)的核心部分，負責提供強大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，并在儀器設備、實驗物資、環(huán)境監(jiān)測、人員各個管理子系統(tǒng)及與其他實驗室之間的共享子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換、處理、溝通和分析的渠道，將實驗室中各子系統(tǒng)所采集到的信息進行實時處理、分析并進行及時的反饋。

通過綜合運用各類物聯(lián)網(wǎng)技術，實驗室管理員可以很輕松地實現(xiàn)對整個實驗室運行情況進行實時控制，并能通過中央處理系統(tǒng)能非常便捷地實現(xiàn)對實驗室的儀器設備、實驗物資、實驗環(huán)境、實驗人員等之間的互動控制(見圖1)。

(2) 儀器設備的智能管理。通過儀器設備采集控制中心將實驗室中各儀器設備與中央處理系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)遠程控制。在此系統(tǒng)中，實驗室管理員可以對儀器設備進行信息更新、使用預約、維護安檢以及過程控制等操作，同時，儀器設備也可自動進行入庫管理，并適時向實驗室管理員報告其運作動態(tài)。

鑒于物聯(lián)網(wǎng)在物流領域的廣泛運用，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動入庫管理系統(tǒng)以生產商置于儀器設備上的射頻電子標簽作為產品識別和信息采集的技術紐帶，通過實驗室出入口的讀寫器對儀器設備進行自動識別[8-9]，既可以獲得儀器設備的所有詳細信息，而且還能自動生成入庫清單以完成自動化入庫管理的目的[10]。

規(guī)范的維護安檢對于大型儀器設備的可持續(xù)運轉至關重要。使用RFID系統(tǒng)進行管理，中央控制系統(tǒng)可定期提醒技術員對相應的儀器設備進行安檢，并將維護安檢信息錄入RFID標簽中存儲。這里，管理員可以通過閱讀器獲取儀器設備的基本信息，更新信息可以通過兩個渠道：① 直接通過中央控制系統(tǒng)，② 通過讀寫器，將讀寫器的信息通過手持機發(fā)送到“采集控制中心”和“中央處理系統(tǒng)”進行數(shù)據(jù)的更新。

實驗人員可以利用RFID系統(tǒng)，通過實驗室的中央處理系統(tǒng)對所需的實驗儀器進行預約使用。管理人員可通過物聯(lián)網(wǎng)對儀器設備的啟動、暫停、關閉等過程進行智能化的控制。

(3) 環(huán)境安全的實時監(jiān)控。通過實驗環(huán)境采集控制中心，實驗室內的環(huán)境信息可以適時的傳送到中央處理系統(tǒng)。系統(tǒng)預先設定好溫度、濕度、光線等安全范圍，中央處理系統(tǒng)會通過控制實驗室的開關，自動開啟、關閉空調、加濕器及采光系統(tǒng)等。當實驗室出現(xiàn)安全問題時，采集控制中心和中央處理系統(tǒng)協(xié)作在第一時間啟動自動報警功能，關閉有危險的電力、水力等系統(tǒng)，將險情在第一時間得到控制。同時將實時信息反映在實驗室管理人員的實時通訊設備上。

(4) 實驗物資的自動采購。充足的原材料是保證實驗正常進行的基本條件之一。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗室管理方法要能夠實現(xiàn)實驗室內的“易耗物資”和“實驗物資供應商”之間互動，也就是無需人工干預便可保證實驗室有充足的實驗物資供科研和教學實驗所需。系統(tǒng)可以根據(jù)實驗耗材的使用率自動補充其庫存量[11]，當然，要有協(xié)議供給的實驗物資供貨商事先協(xié)議好各種耗材的定價、性能等[12-13]。

(5) 實驗人員的智能管理。出入實驗室場所的人員主要有實驗室管理人員、實驗技術人員及師生。為確保其安全有序，進入實驗室區(qū)域的人員必須佩戴電子標簽，在實驗室入口的閱讀器上進行識別，獲取其基本信息(姓名、職稱、院系、聯(lián)系方式等)，同時將信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)的相應模塊進行登記存儲。當閱讀器獲取的信息與預約授權系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息相一致時，該人員便可進入實驗室，否則閱讀器會自動發(fā)出報警，通知實驗室管理人員有非法進入者，請盡快采取相應措施[14]。

在實驗室大型儀器設備操作區(qū)域，系統(tǒng)會設定人員的進入權限，該權限的設定必須和設備的預約使用情況相匹配。區(qū)域入口的閱讀器會進行識別并將其涉及的所有信息發(fā)送至中央處理系統(tǒng)進行存儲和處理。如果在實驗操作過程中儀器設備出現(xiàn)故障等，系統(tǒng)會第一時間分析是機器故障還是人員操作的問題。若實驗人員單獨從事實驗操作時，需佩戴一個與安全控制中心連接的傳感器，一旦其長時間靜止或出現(xiàn)人員摔倒情況，傳感器會自動向控制中心報警，大大提高了使用者的安全系數(shù)[15]。這個做法已經(jīng)為國外不少實驗室采用，效果非常顯著。

(6) 共享開放管理系統(tǒng)?！肮蚕?、開放”無疑已成為21世紀各大高校實施科技與創(chuàng)新戰(zhàn)略的新高地?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的管理方案使軍校與各地方高校間實驗室資源的共享和開放真正成為可能。每個高校的中央處理系統(tǒng)將管理該單位內部的實驗室儀器儀表、環(huán)境條件、實驗物資等，匯總成數(shù)據(jù)并進行整理、分析、管理、數(shù)據(jù)加密。同時，提取可與其他單位共享的信息數(shù)據(jù)，通過Internet網(wǎng)絡，匯總到一個公共服務數(shù)據(jù)中心與信息平臺。該數(shù)據(jù)中心融合、分析各單位的信息數(shù)據(jù)，并在信息平臺上展示，為使用單位提供開放與共享信息服務[14]。

2.3 系統(tǒng)架構

基于前述的物聯(lián)網(wǎng)技術的基本組成部分，圖2所示給出了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的軍隊院校實驗室管理的系統(tǒng)架構流程圖。

圖2 實驗室管理的系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構的流程。例如要進行一個環(huán)境測試實驗，測試人員在使用測試設備及準備階段，可以持便攜式閱讀器對需使用的測試設備(如示波器、網(wǎng)絡分析儀)進行信息核對，并確認是否使用的設備精度、使用的物資(線纜、測試探頭)是否匹配以及環(huán)境(溫度、濕度)等都可通過信息標簽進行確認或獲取。并且實驗完成后，可以在被測物上同樣將測試所用設備信息、環(huán)境信息寫入被測物品RFID標簽內。管理人員定期可以將測試設備的使用信息、校準信息、配套匹配信息等結合專用軟件進行核對及管理。

3 結 語

物聯(lián)網(wǎng)技術在軍隊院校實驗室管理中的應用，從根本上改變軍隊院校一貫運用傳統(tǒng)的方法來管理實驗室的落后局面。綜合運用現(xiàn)今已日趨成熟的射頻識別、WSN技術、智能技術、納米技術等知識，將實驗室中的所有物品，包括儀器設備、辦公用品、實驗耗材、實驗環(huán)境、實驗人員等與網(wǎng)絡、移動信息網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)實時的遠程控制，真正實現(xiàn)了軍隊院校實驗室管理的自動化、信息化、智能化、低碳性和高效性。

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Research on Lab Management of Military University Based on Internet of Things

MAGuo-sheng1，YANGLu-yi2

(1. Electronic Engineering University， Hefei 230037, China;2. Military University， Hefei 230031， China)

Application of the Internet of things in the academies laboratory management of military academics is bold innovation. This application is to transform the traditional pattern into a new one. Starting with the overall architecture of the system, this article analyzed the characteristics of laboratory networking technology in the daily management applications of military colleges and universities. The system combines RFID tags, readers-writers, wireless AP, data processing servers and other hardware devices and intelligent central processing management software together to achieve innovation targets. It truly achieves the targets of remote control, automated management, cyberization, informatization, intelligence and real-timed.

the Internet of things technology; RFID technology; laboratory management; network; informatization

2014-06-15

馬國勝(1963-),女,安徽合肥人，碩士，副教授，碩士生導師，研究方向：射頻與通信技術。

Tel.：13965012276；E-mail：gsmaw@sina.com

TN 929.5;TP 393

A

1006-7167(2015)03-0251-04