質檢實驗室物聯(lián)網(wǎng)探索

毛慧鳳，邊增遠，李祿源，韓 萌，高東明，華 巖，田牧楠，趙 博

（1.長春工程學院，長春 130012； 2.吉林省產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗院，長春 130000）

引言

質檢實驗室的飛速發(fā)展，檢測設備的數(shù)量、性能和智能化水平越來越高，設備檢測能力的提高，同時也增加了實驗設備的管理成本，傳統(tǒng)方式的管理方法和使用方法亟待改進。質檢實驗室設備物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)（以下簡稱EIOT），建立一套較為科學的智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)設備的智能管理、數(shù)據(jù)自動上傳、原始數(shù)據(jù)和檢測報告填單自動完成。

EIOT核心要解決實驗設備的檢測數(shù)據(jù)的上傳和控制信息下達、設備組網(wǎng)、本數(shù)據(jù)庫與質檢LIMS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對接、以及EIOT的軟件設計。質檢的業(yè)務流程任然通過LIMS管理，檢測過程由EIOT完成，不需要實驗人員的過多參與，實現(xiàn)實驗設備的智能管理。

1 系統(tǒng)組成與功能特點

1.1 EIOT系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的實驗室設備物聯(lián)，采用分散控制，設備廠商提供程控方案，設備獨立控制。EIOT基于物聯(lián)概念，對支持通訊功能的實驗設備簡單改造，經(jīng)過簡單轉換后接入網(wǎng)絡，對不具備通訊功能的老舊設備進行系統(tǒng)改造，將設備做成智能終端，通過CAN總線連接，并輔以一定的通訊協(xié)議，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)上傳和控制信息下達。

系統(tǒng)框架分為三層結構，包括設備層、系統(tǒng)層和用戶層。其中設備層是實驗室檢測設備，有的設備支持TCP/IP協(xié)議，有的設備支持485協(xié)議，有的設備支持CAN通訊協(xié)議，也有的設備不具備通訊功能，需要進行實驗設備的入網(wǎng)改造。其中系統(tǒng)層包括了數(shù)據(jù)路由、軟件控制和數(shù)據(jù)庫部分，根據(jù)不同的通訊協(xié)議，有的支持TCP/IP通訊、有的支持RS485/RS 232通訊協(xié)議、有的支持CAN通訊，有的需要改造為CAN通訊，無論采用哪種模式，最終都通過TCP/IP與本地服務器進行交互；本地服務器的數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)接口與質檢系統(tǒng)已有的LIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，同時也作為外網(wǎng)服務器，對于用戶層可以通過網(wǎng)絡進行遠程訪問。這樣不僅提高了整個系統(tǒng)的可靠性及智能化水平，同時有效控制了系統(tǒng)的改造成本和技術復雜度。

圖1

1.2 系統(tǒng)功能特點

與傳統(tǒng)的分散式控制系統(tǒng)相比，EIOT具有如下功能特點：

1）集中管理。實驗設備產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)自動上傳至服務器數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)實驗進度安排下達設備控制指令。該操作不僅在系統(tǒng)所在的服務器上可以完成，在具備授權的任何網(wǎng)絡節(jié)點上都可以完成，本項目采用B/S結構，讓控制更為高效便捷。

2）與現(xiàn)有LIMS系統(tǒng)建設規(guī)劃統(tǒng)一。EIOT與LIMS系統(tǒng)的對接，可極大提高工作效率，在工作流中導入過程數(shù)據(jù)，節(jié)省二次導入帶來的操作誤差和人員工作強度，尤其面臨大數(shù)據(jù)、高重復性工作時。

3）實驗設備的廣泛兼容。適應不同的通訊模式，支持TCP/IP通訊、RS232/485通訊、CAN總線通訊，同時對不具備通訊能力的設備改造為CAN通訊后無縫組網(wǎng)。對設備的改造以不影響功能和質保為前提，以數(shù)據(jù)采集和設備控制為目標，實現(xiàn)低成本高穩(wěn)定的改造。

4）支持其他智能控制設備或系統(tǒng)的接入。比如實驗溫濕度控制系統(tǒng)、室內照明系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、報警系統(tǒng)、智能VGA小車、ID卡系統(tǒng)等兼容，盡量使用成熟系統(tǒng)的功能，直接調用，降低系統(tǒng)的復雜性。

1.3 系統(tǒng)運行具體流程

系統(tǒng)給每位用戶相應的管理權限，給每個實驗設備配備唯一的ID的RFID標簽，用戶使用首先登陸LIMS實驗室管理系統(tǒng)（實驗室均已普遍使用），錄入實驗信息，并經(jīng)過相關的審批流后，由LIMS系統(tǒng)轉交至EIOT系統(tǒng)，經(jīng)EIOT系統(tǒng)授權獲得設備使用授權，用戶持卡對實驗設備刷卡開機（部分設備支持運行參數(shù)遠程導入），用戶按照測試裝卡樣品開始實驗，用IE登錄EIOT系統(tǒng)，設置自動導入設備數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)種類、頻率、停止條件、監(jiān)護人等信息），設置完畢后，可開始實驗，用戶可用手機登錄EIOT系統(tǒng)，完成實驗樣品照片錄入。

設備按照EIOT系統(tǒng)指令開始工作，需要照片記錄時，可選擇拍照攝像頭自動拍照或者提醒用戶錄入照片，實驗過程如果達到截止條件，則實驗結束，匯總實驗過程信息，用戶可賽選圖片信息，加入描述判斷性內容，完成原始記錄和實驗報告，由EIOT系統(tǒng)將工作劉轉至LIMS系統(tǒng)，LIMS系統(tǒng)完成實驗報告的審批流和財務結算等后續(xù)事項。

2 EIOT系統(tǒng)設計

EIOT系統(tǒng)由軟件設計和硬件設計兩個方面組成，其中軟件平臺采用LabVIEW為應用開發(fā)平臺，硬件則以市場上較為成熟的數(shù)據(jù)采集和通訊轉換模塊為主，同時設計了一套基于CAN總線的采集和控制模塊，下面分別闡述。

2.1 軟件設計

LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，可實現(xiàn)脫機的軟件模擬，避免開發(fā)過程對檢測設備的損壞，其軟件的穩(wěn)定性也得到諸多行業(yè)的認同，比如上世紀90年代末，美國NASA用Labview開發(fā)出“勇氣號”和“機遇號”火星探測車的測控系統(tǒng)。許多檢測設備的廠家提供了通訊接口和應用實例，可以快速與復雜的檢測設備實現(xiàn)無縫對接，同時支持多種數(shù)據(jù)庫格式，如Access、SQL Sever、MySQL等。使從事檢測的工程師不必花費更多的時間學習編程也能實現(xiàn)美好的編程目標，實現(xiàn)快速開發(fā)的目的。

采用LabVIEW軟件設計包括前面板和后臺(程序框圖)兩個部分，前面板是系統(tǒng)的人機交互界面，后臺是系統(tǒng)的運行邏輯，采用圖形化程序。本系統(tǒng)的前面板主要有主監(jiān)控界面、控制邏輯頁面、歷史數(shù)據(jù)回放、配置界面等4部分組成。主要完成對溫濕度的顯示、記錄報警等功能。后臺完成了數(shù)據(jù)庫交互、設備通訊、條件觸發(fā)、用戶層級管理等邏輯，程序框圖結構較為方便的理解程序邏輯和快速開發(fā)。

2.2 硬件設計

檢測設備的通訊方式差異性較大，有的陳舊設備不具備通訊功能，因此有必要設計一套兼容性較強的硬件實現(xiàn)較為完善的雙工通訊，包括具有12位A/D功能和10路以上I/O接口的中央控制單元，外圍增加了功率放大、Flash存儲、TCP通訊和CAN通訊功能，結構圖如下：

圖2

本系統(tǒng)設計的硬件平臺，具有極大的擴展性。具備了采集檢測數(shù)據(jù)、大功率控制、測試數(shù)據(jù)緩存、邏輯控制方案緩存，同時支持CAN和TCP/IP通訊，打通檢測設備的物聯(lián)。

3 系統(tǒng)運運行狀況

本項目在吉林省產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗院汽車檢測領域實施，完成了環(huán)境老化箱、干燥箱、步入式溫度箱及機械振動試驗儀的遠程控制，利用Labview作為開發(fā)平臺實現(xiàn)了較好的兼容性和穩(wěn)定性，采用定制的硬件平臺涵蓋汽車檢測設備功能需求，目前軟件系統(tǒng)和硬件平臺運行良好，具有投資低、適用性強、開發(fā)難度低等特點，適合其他檢測機構普及使用。

[1]沈瑤，基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗設備智能管理系統(tǒng)[J] 光通訊研究 2016（5）：35-38

[2]陸江東，戴卓臣，鄭 奮. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能計算機實驗室管理 系統(tǒng)[J]. 電子設計工程，2013，21( 21) : 44-45.

[3]王占軍，李 虹，史良偉. 基于物聯(lián)網(wǎng)架構的實驗室智能管理系 統(tǒng)的研究[J]. 工業(yè)控制計算機，2014，27( 2) : 118-119.

[4]王 琴，鄭 敏. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧多媒體教室設計[J]. 實 驗室研究與探索，2014，33( 3) : 127-130.

[5]吳 良，鄒志宏，吳文華，等. 智能實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2012，31( 5) : 169-172.

[6]鄒志宏，吳 良，吳文華，等. 實驗開放管理與安全保障[J]. 實驗 室研究與探索，2012，31( 7) : 442-444.

[7]周春月，閆子淇. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室架構研究[J]. 實 驗室研究與探索，2014，33( 5) : 239-243.

[8] 步 春 媛 ，徐 大 華 . 智 能 實 驗 室 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 設 計 [ J ] . 實 驗技 術 與 管 理，2007，24( 7) : 145-147.

[9]馮 達，張震坤，余 軒. 實驗室環(huán)境溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設計 [J]. 實驗室研究與探索，2012，31( 2) : 24.