物联网技术在大型仪器共享中的应用研究

引言

随着国家对高等教育投入的加大，高校大型仪器设备平台建设得到较快发展，仪器设备先进程度也是前所未有的,各大高校的大型仪器设备不论在数量上还是在质量上都有了极大的提升。与此同时，大型仪器管理中存在的问题也日益突出。近年来，随着现代信息技术的发展，物联网技术飞速发展,已经在很多领域广泛运用。如何利用最新的物联网技术解决大型仪器开放共享，如何提高仪器使用效率等相关问题,也引起广大实验室管理者的普遍关注，各高校在寻求新的管理模式和管理方法的实践中做了许多有益的探索。

1物联网

1.1物联网概念

美国麻省理工学院(MIT)的KevinAshton教授1991年首次提出物联网(InternetofThings，IOT)的概念。国际电信联盟(ITU)对物联网的定义为：物联网是实现物到物(ThingtoThing:T2T)、人到物(HumantoThing:H2T)和人到人(HumantoHuman)的互连。国内比较一致的物联网概念是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。

1.2物联网的技术架构

物联网一般包含感知延伸层、网络层、业务和应用层三层叫第一层负责采集物和物相关的信息；第二层是异构融合的泛在通信网络，包括现有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，由通信网络对采集到的物体信息进行传输和处理；第三层是应用和业务，主要是为手机、PC等各种终端设备提供感知信息的应用服务o

1.3物联网的应用

目前，物联网技术已经运用在很多领域。首先，在物流管理领域，可将物件进行统一编码，嵌入EPC（产品电子代码）标签，实时监控运输物件的运行状态；其次，在智能交通领域，它主要包括公交行业无线视频监控平台、智能公交站台、电子票务、车管专家和公交手机一卡通5种业务；另外，在信息农业方面，主要体现在远程控制与实时采集两方面,智能农业产品可以通过无线信号收发模块传输数据；而对于设备管理及维护，在欧美一些先进国家，这类系统在企业中的应用已经相当普遍，并已经形成相对成熟的应用软件，如WIMS、COMPASS、TEREMA、MAXIMO软件系统等図。国外高校的校园网设备网络管理，目前大多采用在严格的管理制度的基础上进行人工管理或者使用简单的计算机辅助管理，通过网络进行全部设备综合管理的实用软件产品和相关研究还较为少见。目前,国内已有高校开始开展这方面的应用研究工作,但应用还不普及。此外，物联网还可在工业监控、公共安全、司法管理、医疗服务、环境保护和个人家庭等领域应用。物联网技术可以促进人与物、物与物的交流，加快物品与网络的融合。

2大型仪器设备管理现状分析

2.1大型仪器设备数字化管理程度低

传统的设备管理是一种静态的、信息滞后的并依靠使用人员自律来实现的管理方式，这种方式主要通过制定“仪器设备使用安排表”来实现仪器预约、监管执行、机时记录等日常事务，事后进行相关数据统计，因此，无法实行对仪器的全天候实时监控及使用情况的多角度查询统计。而实验过程往往需要连续的、不间断的使用仪器（尤其是晩上和节假日），传统管理模式对实验室全天候开放缺乏有效的技术保证手段，结果会加大管理人员的工作强度与管理难度，同时也无法满足大型仪器设备数量迅速增加对仪器管理者提出的新要求。

2.2大型仪器设备管理难度大

现有的大型仪器设备多为一机一电脑配置，不同仪器使用不同的专用操作软件系统，且多数软件与杀毒软件不兼容,在电脑病毒无时不在的情况下，经常可能造成电脑中毒，甚至可能致使应用软件损坏或者导致系统崩溃。

对于独立仪器（无电脑控制）以及需要野外使用的大型仪器（如本中心拥有的光合作用测定仪、细胞融合仪、离心机、气体测定仪等），在管理上就更加困难，甚至可能出现真空状态,从而给仪器设备的维护带来困难，影响仪器的正常使用。

2.3仪器设备使用中动态监控缺失

目前的“记录本”登记模式，只能对仪器使用情况的一般信息进行记载，而无法对仪器使用情况进行实时监控，因而经常造成预约后不使用，使用中空机运行时间加长，无法提高仪器使用效率，给其它使用者带来种种不便。同时，也无法快速统计评估设备资源使用情况。

2.4设备运行维护经费匮乏

长期以来，设备运行维护经费的不足一直都是影响设备利用率、影响大型仪器设备共享的重要因素。如何保证充足的经费来源以保证设备的完好率、利用率也是亟待解决的问题。

3大型仪器设备共享平台管理系统

针对上述问题，本研究运用物联网技术研发了包含设备基本信息、设备预约、设备在线监控、实时使用计时计费、实验数据管理等模块的大型仪器设备共享平台管理系统，该系统可将各种管理要素进行有机结合，实现设备全生命周期的管理。

依据软件工程学的原理，采用面向对象的设计方法，应用基于MVC模式的设计思想对共享平台进行设计，同时采用基于角色的访问控制来确保系统的安全性。该平台的技术架构分为三层，图1所示是这种大型仪器共享系统物联网总体结构图。其中，第一层为应用层，是系统的核心，该层承担管理处理事务的中间环节，接收处理客户端的请求，负责系统的业务逻辑以及提供各类应用服务，同时负责所有系统数据的存储与管理，通过采用即时的异地备份技术确保数据的安全性；第二层为网络层，该层主要负责感知层设备的接入及数据流量的汇聚，并将相关处理请求提交给应用层处理；第三层为感知层，位于系统的最底层，是移动物联网设备的运行层，可通过网络，物联网移动设备实时地将需要计算机控制和不需计算机控制的设备运行状态和相关数据传送至应用程序处理层的服务器。

4分布式架构的层次设计

根据大型仪器实际分布状况和实验室的结构特点，本设计采用分层次管理、分布式架构的方法建立实时在线大型仪器设备共享与智能化管理平台，其架设方法与结构层次如图2所示。

图2  分布式架构图

4.1仪器设备统一共享访问层

为了能全面、直观、形象地展示和统计全校大型仪器设备的使用状况，发挥仪器设备的使用效率，本设计要建立一个实时、直观的大型仪器设备共享Web平台。该平台能够实现中心仪器设备共享共建、跨实验室预约使用，同时统一将仪器设备的使用状况实时显示在屏幕上，以便于查看、统计和调配仪器设备资源。仪器设备统一共享访问层主要实现以下功能：

（1）仪器预约管理

该功能主要是构筑仪器设备使用者和仪器设备拥有者之间的沟通界面，实现仪器设备使用预约功能，将相关的预约信息及时传递给管理员、拥有者和实验室与基地管理处，并且进行回复操作。同时，将现有的实验仪器设备通过网络建立相联关系，使其可以实现跨实验室、跨学科预约使用，实时定制预约安排表，使用户通过浏览器和查看仪器设备使用状况与安排表，提交自己的预约申请，并根据自己的实验要求合理安排仪器的使用时间。

（2）充值管理

用户需要在中心进行注册，并在自己账户内预先充值，非注册用户无法使用中心仪器。

（3）使用记录

仪器名称及用户都可设置下拉菜单，以便快捷查询、统计某仪器和用户在一定时间段内的使用情况。

（4）在线监控

通过将仪器设备分布情况与基本信息、当前运行状态(包括使用者姓名、开机时间与结束时间)等信息实时显示在用户登录的页面上，以便用户形象直观地查看与查询。

（5）仪器使用机时数统计

实时统计系统内所有仪器的机时数，并以柱状图的形式进行显示。

（6）实现统一认证

对于所有仪器设备在本物联网内实行一卡多机使用，以便有效保护注册用户的权益。

（7）提供标准接口

本中心管理系统能与校园网无缝对接，可与其它大型仪器共享网对接，并可进行远程预约和查询。

4.2设备实时管理层

该层位于中心整个仪器设备实时共享平台的中间层，具有承上启下的作用。主要是实现对仪器设备的基本信息、中心内部设备使用开放时间表、设备运行状态等综合信息的管理。该层主要包括以下几个模块：

（1）综合管理模块

该模块的功能主要包括中心人员管理、设备管理、发卡管理、设备预约、监控仪数据同步、费率设置、查询统计、数据输出及报表打印。设备运行监管仪可同步将每一个仪器控制器内储存的数据读出，并通过数据采集软件系统统一将使用记录及测定结果储存到中央数据库中，以便集中输出与拷贝。

（2）设备基本信息模块

该模块的功能主要包括仪器名称、编号、规格、型号、图片、存放地、负责人等基本信息的处理，以便预约与统计使用。

（3）设备监管服务模块

该模块负责实时监控各设备的运行情况，对运行过程中用户的各种动作进行计时、审计及状态记录，并负责将这些数据实时地与服务器保持同步，以便统计与显示设备的使用与运行状况。

（4）ID(IdentificationCard，身份识别卡)卡发卡管理

本系统实行注册ID卡管理方式，非本中心注册用户无法使用。

4.3设备运行监管层

该层位于系统的最低层，也是最基础、最重要的一层,原始数据都从该层析出和传输。该层主要包括仪器和计算机设备两大部分内容，作用是通过安装客户终端软件进行监管,其中独立设备则通过配置专用设备监控仪进行监管。

（1）设备运行监控仪

每一台不含计算机的以及需要在野外使用的设备都应配置专用仪器监控仪，仪器监控仪是运用物联网技术(包含RFID、红外感应等技术)自主研发的专用设备，仪器一经使用，即可将仪器运行状态信息传输至中央服务器，做到中心全部仪器设备的运行、监管的全覆盖。

（2）含有计算机设备的客户端

该模块是基于C/S模式的实验室设备(与计算机相连)无人化监控管理系统，主要实现对实验数据的分布式存储与传输，以及分析统计、实验设备的远程登录控制、设备的使用日志、计算机安全病毒防控与安全、网络U盘、数据与系统安全控制等监控与管理工作。

5结语

本文研究了运用物联网技术对大型仪器设备进行智能化管理，并研发适合南京农业大学动物科技学院省级实验教学中心大型仪器设备管理的共享平台管理系统。本系统可将所有大型仪器，包括需电脑控制的和不需电脑控制的以及需在野外使用的仪器全部纳入管理系统中，并将所有仪器设备集中在一个虚拟的实验室中。实践表明，本管理系统可以表现出高效、稳定、安全等特点，可实现大型仪器设备的开放共享，使设备管理水平得到大幅度提高。

目前，学院已将57台10万元以上总价值约2000万元的仪器设备纳入本系统中进行管理。从运行情况看，本系统能有效解决过去大型仪器设备管理中的许多弊端，满足使用者的实验需求，提高大型仪器设备的管理效率和使用效率，使大型仪器设备的管理日趋科学化、数字化；同时，也切实提高了实验室管理人员的工作效率。

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