物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型儀器共享中的應(yīng)用研究

引言

隨著國家對高等教育投入的加大，高校大型儀器設(shè)備平臺建設(shè)得到較快發(fā)展，儀器設(shè)備先進(jìn)程度也是前所未有的,各大高校的大型儀器設(shè)備不論在數(shù)量上還是在質(zhì)量上都有了極大的提升。與此同時，大型儀器管理中存在的問題也日益突出。近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展,已經(jīng)在很多領(lǐng)域廣泛運用。如何利用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決大型儀器開放共享，如何提高儀器使用效率等相關(guān)問題,也引起廣大實驗室管理者的普遍關(guān)注，各高校在尋求新的管理模式和管理方法的實踐中做了許多有益的探索。

1物聯(lián)網(wǎng)

1.1物聯(lián)網(wǎng)概念

美國麻省理工學(xué)院(MIT)的KevinAshton教授1991年首次提出物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IOT)的概念。國際電信聯(lián)盟(ITU)對物聯(lián)網(wǎng)的定義為：物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)物到物(ThingtoThing:T2T)、人到物(HumantoThing:H2T)和人到人(HumantoHuman)的互連。國內(nèi)比較一致的物聯(lián)網(wǎng)概念是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通信，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(luò)技術(shù)。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)一般包含感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)和應(yīng)用層三層叫第一層負(fù)責(zé)采集物和物相關(guān)的信息；第二層是異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡(luò)，包括現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)以及各種接入網(wǎng)和專用網(wǎng)，由通信網(wǎng)絡(luò)對采集到的物體信息進(jìn)行傳輸和處理；第三層是應(yīng)用和業(yè)務(wù)，主要是為手機、PC等各種終端設(shè)備提供感知信息的應(yīng)用服務(wù)o

1.3物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)運用在很多領(lǐng)域。首先，在物流管理領(lǐng)域，可將物件進(jìn)行統(tǒng)一編碼，嵌入EPC（產(chǎn)品電子代碼）標(biāo)簽，實時監(jiān)控運輸物件的運行狀態(tài)；其次，在智能交通領(lǐng)域，它主要包括公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺、智能公交站臺、電子票務(wù)、車管專家和公交手機一卡通5種業(yè)務(wù)；另外，在信息農(nóng)業(yè)方面，主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制與實時采集兩方面,智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)品可以通過無線信號收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)；而對于設(shè)備管理及維護(hù)，在歐美一些先進(jìn)國家，這類系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，并已經(jīng)形成相對成熟的應(yīng)用軟件，如WIMS、COMPASS、TEREMA、MAXIMO軟件系統(tǒng)等図。國外高校的校園網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理，目前大多采用在嚴(yán)格的管理制度的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工管理或者使用簡單的計算機輔助管理，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全部設(shè)備綜合管理的實用軟件產(chǎn)品和相關(guān)研究還較為少見。目前,國內(nèi)已有高校開始開展這方面的應(yīng)用研究工作,但應(yīng)用還不普及。此外，物聯(lián)網(wǎng)還可在工業(yè)監(jiān)控、公共安全、司法管理、醫(yī)療服務(wù)、環(huán)境保護(hù)和個人家庭等領(lǐng)域應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以促進(jìn)人與物、物與物的交流，加快物品與網(wǎng)絡(luò)的融合。

2大型儀器設(shè)備管理現(xiàn)狀分析

2.1大型儀器設(shè)備數(shù)字化管理程度低

傳統(tǒng)的設(shè)備管理是一種靜態(tài)的、信息滯后的并依靠使用人員自律來實現(xiàn)的管理方式，這種方式主要通過制定“儀器設(shè)備使用安排表”來實現(xiàn)儀器預(yù)約、監(jiān)管執(zhí)行、機時記錄等日常事務(wù)，事后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因此，無法實行對儀器的全天候?qū)崟r監(jiān)控及使用情況的多角度查詢統(tǒng)計。而實驗過程往往需要連續(xù)的、不間斷的使用儀器（尤其是晩上和節(jié)假日），傳統(tǒng)管理模式對實驗室全天候開放缺乏有效的技術(shù)保證手段，結(jié)果會加大管理人員的工作強度與管理難度，同時也無法滿足大型儀器設(shè)備數(shù)量迅速增加對儀器管理者提出的新要求。

2.2大型儀器設(shè)備管理難度大

現(xiàn)有的大型儀器設(shè)備多為一機一電腦配置，不同儀器使用不同的專用操作軟件系統(tǒng)，且多數(shù)軟件與殺毒軟件不兼容,在電腦病毒無時不在的情況下，經(jīng)常可能造成電腦中毒，甚至可能致使應(yīng)用軟件損壞或者導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

對于獨立儀器（無電腦控制）以及需要野外使用的大型儀器（如本中心擁有的光合作用測定儀、細(xì)胞融合儀、離心機、氣體測定儀等），在管理上就更加困難，甚至可能出現(xiàn)真空狀態(tài),從而給儀器設(shè)備的維護(hù)帶來困難，影響儀器的正常使用。

2.3儀器設(shè)備使用中動態(tài)監(jiān)控缺失

目前的“記錄本”登記模式，只能對儀器使用情況的一般信息進(jìn)行記載，而無法對儀器使用情況進(jìn)行實時監(jiān)控，因而經(jīng)常造成預(yù)約后不使用，使用中空機運行時間加長，無法提高儀器使用效率，給其它使用者帶來種種不便。同時，也無法快速統(tǒng)計評估設(shè)備資源使用情況。

2.4設(shè)備運行維護(hù)經(jīng)費匱乏

長期以來，設(shè)備運行維護(hù)經(jīng)費的不足一直都是影響設(shè)備利用率、影響大型儀器設(shè)備共享的重要因素。如何保證充足的經(jīng)費來源以保證設(shè)備的完好率、利用率也是亟待解決的問題。

3大型儀器設(shè)備共享平臺管理系統(tǒng)

針對上述問題，本研究運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了包含設(shè)備基本信息、設(shè)備預(yù)約、設(shè)備在線監(jiān)控、實時使用計時計費、實驗數(shù)據(jù)管理等模塊的大型儀器設(shè)備共享平臺管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將各種管理要素進(jìn)行有機結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期的管理。

依據(jù)軟件工程學(xué)的原理，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，應(yīng)用基于MVC模式的設(shè)計思想對共享平臺進(jìn)行設(shè)計，同時采用基于角色的訪問控制來確保系統(tǒng)的安全性。該平臺的技術(shù)架構(gòu)分為三層，圖1所示是這種大型儀器共享系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)圖。其中，第一層為應(yīng)用層，是系統(tǒng)的核心，該層承擔(dān)管理處理事務(wù)的中間環(huán)節(jié)，接收處理客戶端的請求，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯以及提供各類應(yīng)用服務(wù)，同時負(fù)責(zé)所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲與管理，通過采用即時的異地備份技術(shù)確保數(shù)據(jù)的安全性；第二層為網(wǎng)絡(luò)層，該層主要負(fù)責(zé)感知層設(shè)備的接入及數(shù)據(jù)流量的匯聚，并將相關(guān)處理請求提交給應(yīng)用層處理；第三層為感知層，位于系統(tǒng)的最底層，是移動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運行層，可通過網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)備實時地將需要計算機控制和不需計算機控制的設(shè)備運行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用程序處理層的服務(wù)器。

4分布式架構(gòu)的層次設(shè)計

根據(jù)大型儀器實際分布狀況和實驗室的結(jié)構(gòu)特點，本設(shè)計采用分層次管理、分布式架構(gòu)的方法建立實時在線大型儀器設(shè)備共享與智能化管理平臺，其架設(shè)方法與結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2  分布式架構(gòu)圖

4.1儀器設(shè)備統(tǒng)一共享訪問層

為了能全面、直觀、形象地展示和統(tǒng)計全校大型儀器設(shè)備的使用狀況，發(fā)揮儀器設(shè)備的使用效率，本設(shè)計要建立一個實時、直觀的大型儀器設(shè)備共享Web平臺。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)中心儀器設(shè)備共享共建、跨實驗室預(yù)約使用，同時統(tǒng)一將儀器設(shè)備的使用狀況實時顯示在屏幕上，以便于查看、統(tǒng)計和調(diào)配儀器設(shè)備資源。儀器設(shè)備統(tǒng)一共享訪問層主要實現(xiàn)以下功能：

（1）儀器預(yù)約管理

該功能主要是構(gòu)筑儀器設(shè)備使用者和儀器設(shè)備擁有者之間的溝通界面，實現(xiàn)儀器設(shè)備使用預(yù)約功能，將相關(guān)的預(yù)約信息及時傳遞給管理員、擁有者和實驗室與基地管理處，并且進(jìn)行回復(fù)操作。同時，將現(xiàn)有的實驗儀器設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)建立相聯(lián)關(guān)系，使其可以實現(xiàn)跨實驗室、跨學(xué)科預(yù)約使用，實時定制預(yù)約安排表，使用戶通過瀏覽器和查看儀器設(shè)備使用狀況與安排表，提交自己的預(yù)約申請，并根據(jù)自己的實驗要求合理安排儀器的使用時間。

（2）充值管理

用戶需要在中心進(jìn)行注冊，并在自己賬戶內(nèi)預(yù)先充值，非注冊用戶無法使用中心儀器。

（3）使用記錄

儀器名稱及用戶都可設(shè)置下拉菜單，以便快捷查詢、統(tǒng)計某儀器和用戶在一定時間段內(nèi)的使用情況。

（4）在線監(jiān)控

通過將儀器設(shè)備分布情況與基本信息、當(dāng)前運行狀態(tài)(包括使用者姓名、開機時間與結(jié)束時間)等信息實時顯示在用戶登錄的頁面上，以便用戶形象直觀地查看與查詢。

（5）儀器使用機時數(shù)統(tǒng)計

實時統(tǒng)計系統(tǒng)內(nèi)所有儀器的機時數(shù)，并以柱狀圖的形式進(jìn)行顯示。

（6）實現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證

對于所有儀器設(shè)備在本物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)實行一卡多機使用，以便有效保護(hù)注冊用戶的權(quán)益。

（7）提供標(biāo)準(zhǔn)接口

本中心管理系統(tǒng)能與校園網(wǎng)無縫對接，可與其它大型儀器共享網(wǎng)對接，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)約和查詢。

4.2設(shè)備實時管理層

該層位于中心整個儀器設(shè)備實時共享平臺的中間層，具有承上啟下的作用。主要是實現(xiàn)對儀器設(shè)備的基本信息、中心內(nèi)部設(shè)備使用開放時間表、設(shè)備運行狀態(tài)等綜合信息的管理。該層主要包括以下幾個模塊：

（1）綜合管理模塊

該模塊的功能主要包括中心人員管理、設(shè)備管理、發(fā)卡管理、設(shè)備預(yù)約、監(jiān)控儀數(shù)據(jù)同步、費率設(shè)置、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)輸出及報表打印。設(shè)備運行監(jiān)管儀可同步將每一個儀器控制器內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)讀出，并通過數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)統(tǒng)一將使用記錄及測定結(jié)果儲存到中央數(shù)據(jù)庫中，以便集中輸出與拷貝。

（2）設(shè)備基本信息模塊

該模塊的功能主要包括儀器名稱、編號、規(guī)格、型號、圖片、存放地、負(fù)責(zé)人等基本信息的處理，以便預(yù)約與統(tǒng)計使用。

（3）設(shè)備監(jiān)管服務(wù)模塊

該模塊負(fù)責(zé)實時監(jiān)控各設(shè)備的運行情況，對運行過程中用戶的各種動作進(jìn)行計時、審計及狀態(tài)記錄，并負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)實時地與服務(wù)器保持同步，以便統(tǒng)計與顯示設(shè)備的使用與運行狀況。

（4）ID(IdentificationCard，身份識別卡)卡發(fā)卡管理

本系統(tǒng)實行注冊ID卡管理方式，非本中心注冊用戶無法使用。

4.3設(shè)備運行監(jiān)管層

該層位于系統(tǒng)的最低層，也是最基礎(chǔ)、最重要的一層,原始數(shù)據(jù)都從該層析出和傳輸。該層主要包括儀器和計算機設(shè)備兩大部分內(nèi)容，作用是通過安裝客戶終端軟件進(jìn)行監(jiān)管,其中獨立設(shè)備則通過配置專用設(shè)備監(jiān)控儀進(jìn)行監(jiān)管。

（1）設(shè)備運行監(jiān)控儀

每一臺不含計算機的以及需要在野外使用的設(shè)備都應(yīng)配置專用儀器監(jiān)控儀，儀器監(jiān)控儀是運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(包含RFID、紅外感應(yīng)等技術(shù))自主研發(fā)的專用設(shè)備，儀器一經(jīng)使用，即可將儀器運行狀態(tài)信息傳輸至中央服務(wù)器，做到中心全部儀器設(shè)備的運行、監(jiān)管的全覆蓋。

（2）含有計算機設(shè)備的客戶端

該模塊是基于C/S模式的實驗室設(shè)備(與計算機相連)無人化監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的分布式存儲與傳輸，以及分析統(tǒng)計、實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程登錄控制、設(shè)備的使用日志、計算機安全病毒防控與安全、網(wǎng)絡(luò)U盤、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全控制等監(jiān)控與管理工作。

5結(jié)語

本文研究了運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大型儀器設(shè)備進(jìn)行智能化管理，并研發(fā)適合南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院省級實驗教學(xué)中心大型儀器設(shè)備管理的共享平臺管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)可將所有大型儀器，包括需電腦控制的和不需電腦控制的以及需在野外使用的儀器全部納入管理系統(tǒng)中，并將所有儀器設(shè)備集中在一個虛擬的實驗室中。實踐表明，本管理系統(tǒng)可以表現(xiàn)出高效、穩(wěn)定、安全等特點，可實現(xiàn)大型儀器設(shè)備的開放共享，使設(shè)備管理水平得到大幅度提高。

目前，學(xué)院已將57臺10萬元以上總價值約2000萬元的儀器設(shè)備納入本系統(tǒng)中進(jìn)行管理。從運行情況看，本系統(tǒng)能有效解決過去大型儀器設(shè)備管理中的許多弊端，滿足使用者的實驗需求，提高大型儀器設(shè)備的管理效率和使用效率，使大型儀器設(shè)備的管理日趨科學(xué)化、數(shù)字化；同時，也切實提高了實驗室管理人員的工作效率。

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