运用物联网技术构建现代大型仪器共享平台

周建国， 黄 云， 孟繁星

(南京农业大学 a.动物科技学院;b.科学研究院，江苏南京210095)

0 引言

随着高等教育从规模扩张阶段迅速进入内涵提升阶段，尤其是经过“211工程”和“985工程”建设，高校教学科研条件大大改善，大型仪器数量和种类有了跨越式发展［1］。与此同时，高校大型仪器管理中存在的问题也日益突显。如何加强大型仪器共享管理，充分发挥其优质资源作用，不仅是投资效益问题，而且更是关系到如何有效支撑高校科技创新的关键。大型仪器设备的管理与运行、开放共享、使用效益等问题也引起国家和高校高度关注［2］。如何利用最新的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实践中做了许多有益的探索。目前国内已有高校开展这方面的应用研究工作，但应用还不普及。本文主要研究运用物联网技术，构建包含设备信息、网络预约、数据统计、动态监控等管理要素的现代大型仪器设备共享平台管理系统。

1 物联网的内涵及其技术架构

1.1 物联网内涵

1991年，美国麻省理工学院(MIT)的 Kevin Ashton教授首次提出物联网(Internet of Things，IoT)［3-6］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(Thing to Thing:T2T)、人到物(Human to Thing:H2T)和人到人(Human to Human)互连［3］。国内比较一致的物联网概念指通过射频识别(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，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术［7-8］。

1.2 物联网技术架构

物联网包含感知延伸、网络、业务和应用三层。第一层负责采集物和物相关信息;第二层是异构融合在通信网络，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，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，为手机、PC等各种终端设备提供感知信息的应用服务［9-10］。

1.3 物联网技术的应用

目前，物联网技术已经运用在很多领域:①物流管理。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。②智能交通 。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。③信息农业。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。④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，已形成相对成熟的应用软件如:WIMS、COMPASS、TEREMA、MAXIMO软件系统等［11］，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，进行人工的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的综合管理的实用软件产品和相关研究较为少见［12］。目前国内已有高校开展这方面的应用研究，但应用还不普及。此外，物联网还在工业监控、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。物联网技术促进了人与物、物与物的交流，加快了物品与网络的融合［13-14］。

2 大型仪器共享平台的管理现状

根据对国内高校系统大型仪器共享平台管理现状调查分析，大多都存在以下共性问题。

2.1 数字化管理水平低

传统的设备管理是静态、信息滞后，并依靠使用人员自律来实现的管理方式，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，无法实行实时监控和查询，而实验过程往往需要连续的、不间断的使用仪器(尤其是晚上和节假日)，传统管理模式对实验室全天候开放缺乏有效的技术保障，结果加大管理人员工作强度与管理难度，同时无法满足大型仪器设备数量的迅速增加对仪器管理者提出的新要求［15-16］。

2.2 数据统计真实性差

大型仪器的使用情况只能根据记录本数据统计，有的用户认真如实登记，但漏记少记的情况频繁发生，特别是收费仪器在管理人员不在情况下，使用时间数据更是无法保证真实，数据真实性差，有关管理部门无法获得真实的大型仪器的使用数据信息。

2.3 动态监控时效缺乏

目前登记模式，只能对仪器使用情况一般信息进行记载，而无法对仪器使用情况进行实时监控，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，给其他使用者带来种种不便［17］。

2.4 系统管理无法构建

①现有大型仪器设备多为一机带电脑配置，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，经常造成电脑中毒，甚至造成应用软件损坏;②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，在管理上就出现真空状态，同时给仪器设备的维护带来困难，影响仪器正常使用。

3 现代大型仪器共享平台管理系统

针对上述存在的问题，本研究运用物联网技术，旨在构建包含设备基本信息、设备预约、设备使用、实时监控、实验数据管理等要素的现代大型仪器设备共享平台管理系统，该系统将各种管理要素进行有机结合，实现设备全生命周期的高效管理。

目前动物科学类实验教学中心已将57台10万元以上总价值2 000万元的仪器设备纳入本系统中进行管理，从运行情况看，系统具有安全、可靠、稳定、实用等特点。有效解决了过去大型仪器设备管理中的许多弊端，满足了使用者的实验需求，提高了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，切实提高了实验室管理人员的工作效率。

3.1 总体思路

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［18-19］，采用基于角色的访问控制来确保系统的安全性，该平台的技术架构思路分为三层(见图1)［20］，第一层为应用层，是系统的核心，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，该层承担管理事务处理的中间环节，负责数据库操作、接受处理客户端的请求，负责系统的业务逻辑处理以及提供各类应用服务;第三层为感知层，位于系统的最前端，是客户端访问层即系统的入口，通过网络实时地将需计算机控制和不需计算机控制的设备的运行状态和相关数据传送至应用程序处理层的服务器。

图1 中心仪器设备共享系统物联网总体结构

3.2 分布式架构

根据大型仪器实际分布状况和实验室结构特点，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，架设方法与结构层次见图2。

图2 分布式架构图

3.2.1 仪器设备统一共享访问层

实现中心仪器设备共享共建、跨实验室跨学科预约使用，建立实时、直观的大型仪器设备共享Web平台。研究并实现以下功能:

(1)仪器预约管理。系统实时定制仪器预约安排表，用户通过浏览器可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安排合理的仪器使用时间。

(2)使用记录查询。仪器名称及用户都设置下拉菜单，可快捷查询、统计某仪器和用户在一定时间段内的使用情况。方便管理者在仪器出现异常情况时快速查找异常原因，同时方便用户和有关机构快速查找实验原始数据。

(3)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，见图3。

图3 在线监控界面

(4)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。

(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，并以柱状图的形式显示。管理部门可随时查看大型仪器的真实使用数据，为大型仪器的购置决策和高效管理提供依据。

(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，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，并可与其它大型仪器共享网对接，可进行远程预约和查询。

(8)U盘禁用。为了有效防止客户端病毒侵入，系统能自动禁用U盘，当用户刷卡进入客户端，系统自动加载该用户的“网络U盘”，用户可以把数据存储在该盘中。该盘的特点是“盘随人走”。用户可以在指定的机器上刷卡将自己的数据导出，我们的杀毒软件也只需要安装在这台数据导出的计算机上。这样通过封闭计算机的外来文件拷贝，就能有效防止病毒入侵系统，有效保证了大型仪器软件系统的运行安全。

3.2.2 设备实时管理层

该层主要是实现对仪器设备的基本信息、设备运行状态等综合信息的管理，位于共享平台的中间，具有承上启下之作用。

(1)设备基本信息模块。包括仪器名称、编号、规格、型号、图片、存放地、负责人等基本信息以及仪器设备的使用说明书，使用手册等。将仪器基本信息全部实现电子化管理，便于用户在线可以查阅下载相应的仪器设备的说明书或使用手册。

(2)设备监管服务模块。负责实时监控各设备运行情况，本模块将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使用与运行状况。

(3)综合管理模块。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。

3.2.3 设备运行监管层

该层位于系统最低层，也是最基础、最重要的一层，原始数据都从该层析出和传输。主要包括两大部分内容:仪器-计算机设备通过安装客户终端软件进行监管，独立设备则通过配置专用设备监控仪进行监管。

(1)客户端。含计算机的仪器设计客户端模块，该模块是基于C/S模式的实验室设备(与计算机相联)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。

(2)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，做到覆盖中心全部仪器设备的运行和监管。

4 结语

现代大型仪器共享平台管理系统，将所有仪器设备集中在一个虚拟的实验室中，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，实现大型仪器设备的开放共享，用户根据不同的权限查询到实时、统一、全面的信息，并可快速统计评估设备资源的利用情况。大型仪器设备的网络化管理，满足了用户对信息采集实时和快捷的需求。

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