基于WSN的大型仪器设备开放共享管理系统构建

葛 磊, 张其平, 孙 强， 管图华

(南通大学 a.实验室与设备管理处； b.电子信息学院,江苏 南通 226019)



·仪器设备供应与管理·

基于WSN的大型仪器设备开放共享管理系统构建

葛 磊a, 张其平a, 孙 强b， 管图华a

(南通大学 a.实验室与设备管理处； b.电子信息学院,江苏 南通 226019)

分析了高校目前在大型仪器设备开放共享平台建设中的一些问题，如有线通信方式导致受网络布线制约大、成本高，仪器设备种类繁多导致仪器设备运行状态缺乏标准信息输出接口，仪器终端监控设备缺乏有效机时统计功能、体积庞大、不可灵活移动等。针对这些问题提出利用多汇聚(Sink)节点的无线传感器网络(WSN)技术运用于大型仪器管理，设计出一套集实时监控、智能报警、远程控制、预约管理、经费结算为一体的智能化大型仪器设备开放共享管理系统。该系统具有监测数据采集灵活多样、无需布线、成本低廉、对仪器设备的分布位置无要求、可满足移动的大型仪器设备的数据采集与监测等特点，在人才培养、科学研究以及提高大型仪器设备的使用效益上发挥了巨大作用。

大型仪器设备； 开放共享； 多汇聚节点； 无线传感器网络； 管理系统

0 引 言

随着我校近几年学科及博士点建设、中央地方共建等经费的大力投入，学校大型贵重仪器设备台套数有了大幅增加，10万元以上的大型仪器设备从2010年的523台增加到2014年的826台，40万元以上的大型仪器设备从2010年78台套增加到2014年145台套，在短短的4年里翻了一番。如何提高大型仪器设备的使用效益，使人从繁琐的大型仪器设备管理工作中解放出来，为实验室管理、仪器设备管理以及学校职能部门的管理人员提供一个信息化、多功能的管理平台，为需要使用大型仪器设备的老师、学生、校外用户提供一个方便快捷的预约结算平台，提高智能化、科学化管理和工作效率，是目前所面临的问题。

1 高校大型仪器开放共享管理系统现状

目前我校大型仪器设备开放共享管理系统功能单一，仅限于大型仪器设备信息介绍和查询的功能，实际管理中的诸多问题未能解决，如使用机时统计、预约登记、绩效管理、经费结算等，这些工作还停留在传统的人工管理、纸质登记的方式。大型仪器设备台数大幅增加后，设备管理人员缺乏，一个人需要管理好几台大型仪器设备，老师工作量大大增加，管理上出现较多问题，如大型仪器设备不同程度存在着管理分散封闭、用户预约使用难、大型仪器管理人员样品来不及处理等状况，信息形式局限于“静态”范围[1]，无法对设备进行动态管理，而且各管理部门之间缺乏有效的协调与沟通，形成“信息孤岛”，不能满足现代化的管理要求。

随着网络通信技术、计算机等技术的飞速发展，国内部分高校已经探索开发出了硬件和软件共存的更加高效智能的大型仪器开放共享管理系统[2-13]，极大提高了高校大型仪器的使用效益和投资效益。但这些系统仍存在一些不足之处。

(1) 现行的大型仪器设备管理系统大多通过有线互联网的方式进行数据传输，这样的通信方式受网络布线的制约较大，没有布线的地方需要重新布线，成本增加，而且重新布线也不利于实验室的美观。同时有线网络的通信方式对设备的安放位置有一定要求，需要固定在某一个地方，而对于没有固定位置的大型仪器设备无法应用。

(2) 学校的仪器设备种类繁多，使用环境和运行状态各不相同，缺乏标准的仪器运行信息输出接口，导致获取仪器设备的运行状态信息难度大，目前还没有通过同一种技术手段获取各类仪器设备准确运行状态信息的方法[14]。

(3) 在仪器设备状态监测中大部分应用的是检测工作电流的方式或者是电源监控模式，而有些仪器需要较长的待机时间，无法有效区分机时的有效性[15]。

(4) 为获取大型仪器的运行状态数据，一般都需外接一个仪器终端监测设备[16]，这种外接设备对于经常需要更换使用地点的贵重仪器设备显然非常不方便，不具备可操作性，有些外接仪器终端监测设备体积较大，占用了本来就不宽裕的工作空间。

(5) 开放收费尚未实现与财务数据的实时对接，这部分工作在技术上是可以实现的，但是基于现行的学校财务和其他方面的管理制度制约，仍然需要繁琐的程序来完成。

基于上述问题的存在，高校大型贵重仪器设备开放共享管理系统还需要进一步的完善与改进，管理手段也需要不断的创新，这样才能更好的推动大型仪器管理体制与机制的改革，利用现在先进的技术手段将人力资源从繁琐的工作中解放出来，提高共享平台的管理效益，最终实现大型仪器可持续共享。

2 基于WSN的大型仪器设备开放共享管理系统的架构

随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，对设备管理过程的业务流程、资源共享、效益评价等各个方面产生了重大影响。互联网、无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)、通用分组无线业务/全球移动通讯系统(General Packet Radio Service/Global System for Mobile Communications，GPRS/GSM)等现代通信技术都为设备管理提供了更灵活的手段。

基于WSN技术的大型仪器设备开放共享管理系统是由硬件部分和软件部分所组成，通过分布在现场中的传感器节点采集大型仪器设备的相关信息，然后根据事先规定的协议，通过WSN和GPRS技术将现场采集的信息传送至总控中心或分控中心的Web服务器上，众多节点协同工作完成数据采集，实现统一的网上发布，在传感器网络通信保持畅通的条件下，用户端可以在校园的任何一个电脑终端或手机上获取相关的设备信息。

2.1 硬件部分

为了保证系统监测数据传输可靠性，大型仪器设备开放共享管理系统采用多汇聚(Sink)节点的无线传感器网络[17]。该系统的硬件部分由传感器节点、Sink节点和监控中心构成，见图1。

传感器节点是直接安装在每台大型仪器设备上的终端节点，它包括一个射频卡刷卡取电节点、电能测量控制节点和无线传输模块，可以分别对电源的开关状态进行无线控制，并监测大型仪器设备的电流状态，判断设备是使用状态还是休眠状态。一旦电流数据发生变化，传感器节点将采集的电流数据汇总给Sink节点。该传感器节点传输可视距离可达到500 m，最大负载电流为10 A，电压220 V，同时还支持13.56 M射频卡，并具有放拆、功率、电流检测功能。若需要监测其他数据还可以灵活在终端安装墙式红外检测节点、声光报警器节点、开启关闭布防节点、设备定位管理节点等，以满足不同的管理需求。

图1 基于WSN技术的大型仪器设备开放共享管理系统

Sink节点将收集到的监测数据经过GPRS发送至监控中心，同时接收监控中心发来的各项指令。对于设备较为集中的实验室，1个实验室安放1个Sink节点即可完成数据传输。Sink节点通过特定的地址编号与其通信，并可以通过软件设计接收新加入的终端节点而不必调整系统现有硬件和软件结构。为了保证WSN数据采集的同时性，该系统中的时间同步以Sink节点的时间为基准，在Sink节点初始化后开始时间同步过程，为避免时间偏移过大，在每次复位和某个固定的时间都要进行时间同步。

监控中心负责数据处理和信息管理，并对整个WSN进行实时的状态监控和随机查询。这个系统结构灵活，可以任意的增添、移动和删除终端节点，对终端节点的分布位置无任何要求。同时可以在空闲的时候启动对现场终端节点的重新搜索，以随时更新现场终端节点的信息，从而实现系统的硬件自组织功能。

为了使大型仪器设备开放共享管理系统可靠运行，需要设计适合于该系统硬件平台的网络协议：①物理层选择接收灵敏度高，低发射功率的射频芯片ADF7020，并采用GFSK调制方案，工作频率为433 MHz，数据传输速率是9.6 kb/s；②MAC层采用碰撞避免的载波侦听多址接入技术，即每个节点在发送数据前先监听信道上其他节点是否在发送数据，如果发现已经有数据在发送，则此节点暂时不发送数据，延迟一个随机时间再次监听信道，一旦发现信道空闲之后，就将数据发送出去；③路由协议采用支持多Sink无线传感器网络的上下行异构的路由协议[18]，上行路由可以采用基于最小跳数的路由算法，下行路由可以采用源路由策略，利用上行数据中稍带的路由信息，构建一个全局的下行路由表。发送下行命令只需从下行路由表中查询路由。该协议具有鲁棒性，即某些节点发生故障的时候，能够保证其它节点快速重建路由；④应用层可以支持时间驱动的模式采集数据，也可以根据查询命令的方式采集数据信息。

2.2 软件模块

软件采用B/S架构，实现了大型仪器设备的信息查询、用户管理、开放预约管理、经费使用结算、设备状态实时监测、设备真实使用情况统计等功能。

考虑到技术不断进步和需求不断变化，系统设计把先进性放在首位，同时本着以人为本，着重从平台的实用、便利、可操作性考虑，尽可能化繁为简，使得软件使用者(实验室管理部门及各学院工作人员)能切实感受到使用软件所带来的便利及优势，自发地支持与帮助软件的开发与应用。在考虑技术先进性和开放性的同时，还从系统结构、技术措施、系统管理等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性，以达到最大的平均无故障时间。在应用系统平台设计中，充分考虑信息资源的共享，注意信息资源的保护和隔离，针对不同的应用和不同的网络通信环境，采取不同的措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。

软件部分共有8大功能模块，首页管理、系统设置、中心管理、账号管理、预约管理、仪器管理、充值管理、汇总统计。各功能模块之间保证相对独立与必要关联，并且保证系统成员在同一界面下使用系统的所有管理功能，如图2所示。

3 实施成效

结合我校实际情况，选取了部分学院对该套系统进行试点运行，该系统具有原来的大型仪器开放共享平台所不具备的一些优势。

(1) 无线组网通信方式相对于有线的互联网无需布线，成本低廉，对仪器设备的分布位置无任何要求，可以满足移动的大型仪器设备的数据采集与监测。

(2) 相对于单纯的电流和电源监控来说，这种传感器的数据采集更加灵活多样，可以根据不同类别仪器的各自特点选择相应的数据监测项目，然后通过相应的数据处理形成统一的标准的仪器运行状态数据进行传输，便于管理者对仪器设备的实时监控。

(3) 整个系统的投入运行成本较低，设备经费相对紧张的高校也可以实施。

(4) 传感器体积较小，相对于现在的外接仪器设备终端监测设备来说不会占用太多的空间。

(5) 这种基于无线通信的开放共享管理系统可以和手机终端间实现实时通讯，用户不仅可以在电脑上登录系统，还可以通过手机登录系统进行设备的查询与使用预约，预约结果也可以通过手机短信方式传送到手机终端，极大的方便用户的使用。

为了保障系统正常良好的运行，在试点运行的学院出台了“大型仪器设备开放基金管理办法”、“大型仪器设备维修基金管理办法”、“大型仪器预约使用管理办法”、“大型仪器对外开放收费管理办法”等一系列的配套管理制度。据不完全统计，系统运行以来，这些学院的大型仪器设备的平均年使用机时从2011年的593 h提高到2014年的784 h。在使用过程中，我们还对系统及配套的管理办法进行不断的完善，并得到老师的广泛认可，大型仪器设备的利用率和共享率明显上升，大型仪器设备管理操作人员工作量大和预约使用困难的问题也得到有效解决。

4 结 语

利用多汇聚(Sink)节点的无线传感器网络(WSN)技术，提出的基于WSN的大型仪器设备开放共享管理系统，以无线方式组网，结合GPRS技术，兼容性高、拓展性强，通用可靠性高，方式灵活，有效减少布线工作量，解决了有线通信方式带来的布线难度大，成本高和升级维护困难等问题，实现了大型仪器设备的信息公开、使用授权、实时状态监测、预约管理、报表统计、绩效考核与经费结算等功能，为实验者提供方便快捷的服务，也为管理者提供低成本、易于操作的无纸化管理平台，使大型仪器资源得到充分有效的利用。

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The Construction of Opening and Sharing Usage and Management of the Large-scale Instruments and Equipment Based on Wireless Sensor Networks

GELeia，ZHANGQi-pinga，SUNQiangb,GUANTu-huaa

(a. Office of Lab Management and Equipment; b. School of Electronics and Information,Nantong University, Nantong 226019, China)

This paper analyzes the problems in the construction of sharing platform for the large-scale instruments, such as the restriction and high-cost of the network wiring caused by the wired communication mode, the lack of standard information output interface in the equipment’s running states caused by a wide variety of instruments, the lack of a valid using time statistic function for terminal monitoring equipment, the huge volume, the lack of flexible motion and so forth. This paper proposes to use wireless sensor network (WSN) with multiple sinks to design a set of large instruments and equipment open sharing platform which integrates real-time monitoring, intelligent alarm, remote control, intelligent appointment management, funds settlement. This system has some favorable characteristics, such as flexibility of the data acquisition, low cost, no requirement for wiring and location of the equipment, and it can meet the requirements of the large-scale equipment of mobile data acquisition and monitoring etc. The system has played a significant role in talent-development and scientific research as well as efficient utility of the large instruments and equipment.

large-scale instruments； opening usage and sharing； multi-sink nodes； wireless sensor networks； management system

2015-02-22

江苏省高校实验室研究会课题(GS2012YB41)；南通大学教改课题(2012A7-01)

葛 磊(1981-)，女，江苏南通人，硕士，助理研究员，副科长，研究方向：无线传感器网络定位研究、大型仪器设备管理。

Tel.: 13515201537；E-mail:ge.l@ntu.edu.cn

管图华(1962-),男,江苏南通人,硕士,副研究员,处长,主要研究方向:高教管理与仪器设备管理。

Tel.:13962911098;E-mail:tygth@ntu.edu.cn

TP 391；G 482

A

1006-7167(2015)11-0259-04