基于物联网检验检测信息化平台设计

胡家明

(贵州高质云检信息科技有限公司，贵阳550000)

0 引 言

打造全国顶尖的检验检测认证大数据服务平台，集在线下单、填写委托、支付、物流等服务。检验检测平台保障人们吃得安心，住的放心，用的省心，提升检验检测机构的综合能力是时代的需要。利用“物联网”技术，通过将无线终端、摄像设备、烟感设备、紧急求助设备等传感探测设备与自动灭火装置等予以整合联动，通过“智能化”消防和服务功能相结合实现在线监督管理，智能化预警，远程监测［1］；有文献通过互联网与居家养老服务模式相结合全面提升老人生活水平［2］；有文献提出一种基于物联网技术的移动网络感知系统，多种网络制式传输［3］；有文献使用物联网计算探究计算机网络安全实现对结构和框架的梳理，对本文设计提供的指导思路［4］；有文献网关采用硬件TCP／IP设计方案，交换机可支持8个TCP／IP客户端访问并预留有多类接口，接入方便、性价比高［5］。

1 总体结构框架

在检测机构中有成百台PC机用于处理及分析各大型仪器设备生成的数据。检测设备通过分离、采集被测物信息由COM口与PC机连接，在PC端生成PDF文档，设备很难实现PDF文档无线传送至云端，所以需要通过Python脚本将PDF文档解析成列表。解析后的列表利用Python中的正则规则封装成Json格式发送。实验室设备与PC机都是通过网线或串口线直连通信，在加装前置机后，数据通过TCP／IP协议发送至前置机，实验室的每个PC机与机房安装的前置机实现局域网通信，前置机接受到数据发送至云端服务器，实现对数据远程存储。系统结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 Overall structure diagram of the system

2 物联网与信息化平台的连接

对一些物体或环境，需要了解其信息，人类的感官很难直接感受。传感器设备代替人类感知，就是物联网的感知层。通过传感器去感知样品成分，分析出数据，网络层通过感知层协议实现与服务器数据通信，应用层实现样品数据的显示。通过物联网的3层架构实现信息化平台的连接，如图2所示。

图2 物联网网络架构图Fig.2 Internet of Things network architecture diagram

2.1 PDF文档解析

实验室的检测数据通常以PDF格式保存，为实现检测检验信息化，需要将生成的PDF文档格式数据实现远端存储，为了减少数据失真、保证传送的实时性，通过Python脚本将PDF文档转为列表，所有元素放在一对中括号中，并使用逗号分隔开；再通过对不同数据类型使用正则规则进行解析，实现对特征兴趣的数据、字符的匹配，然后封装成Json发送数据。PDF文档解析如图3所示。

图3 PDF文档解析流程图Fig.3 PDF document parsing flow chart

设计使用pdfplumber库对于PDF文档解析，对文档按行扫描，转换成文本信息。在设计中首先得在电脑的DOS系统上安装pip install pdfplumber，库安装之后就可以在pyCharm上实现程序运行。

设计针对实验室操作人员实现检验检测数据远程传送。所以需要设计使用界面，根据Python就有非常多的图形化编程库选用PyQt5兼容Python程序通过PyChram的tools实现与QT5的联合开发，脚本上可调用PyQt5库实现界面设计。

2.2 数据发送至前置机

为了保证本地数据的安全可靠，减少外网攻击，设置一道网关实现数据上的安全可信，既保证的数据不受外网的入侵，也实现数据远程存储、访问的功能。数据在传输中属于物联网领域的传输层，采用TCP／IP协议发送数据。

电脑与设备之间通信交流需要双方约定协议才能实现数据收发。物联网架构在传输层设计中主要协议有TCP和UDP 2种协议，对于UDP协议采用发报文的形式，但由于数据包发送时不能对其发送结果进行验证并且在一次发送中数据的载量相对于TCP协议不大，所以本次设计在传输层使用TCP协议传输。

TCP协议提出的一种端到端的字节流通信协议，客服端与服务器为保证数据传输的可靠性，将每个数据包定义一个序号，保证双方能够按序号通信。服务器收到一个序号之后返回一个ACK确认第一次握手成功；如果客户端在心跳包时间内未收到服务器返回数据则连接失败，继续重传。这样保证了数据的正确性和合法性。在双方通信中采用3次握手协议建立连接。TCP3次握手的过程如图4所示。

图4 TCP／IP三次握手Fig.4 TCP／IP three handshakes

通过TCP协议建立实验室PC机与前置机通信，实现数据传输。实验仿真使用手机终端建立AP热点可实现多台PC机处于共同的网段下相互通信。手机AP热点分配给连接的PC机IP地址。通过指定IP对特定的PC机建立通信连接。

2.3 云服务器连接

实现前置机与云端通信对于TCP／IP应用层常用HTTP协议。服务器和客户端之前建立连接需要由客户端向服务器发起请求消息，服务器接受到请求返回响应消息。如图5所示，客服端发送请求报文和服务器返回响应报文格式。

图5 HTTP请求和响应报文格式Fig.5 HTTP request and response packet format

Http协议传输有8种不同的方法获取指定的资源，在使用中主要应用有GET方法和POST方法。虽然在定义上2个方法不同，但在使用上并没有明显的界限，所以使用POST方法实现数据的上传。

2.4 云服务器数据存储

将实验室检测数据发送至云服务器，实现在线云存储，减少实验室数据存储负担，而且可实现远程访问，为后续客户打印电子报告提供数据支撑。

云服务器是系统环境中运行的虚拟服务器，通过互联网对计算机远程操控，依靠配置多样、独立和快速的运算环境能够实现安全、高效的弹性计算服务。云服务器提供独立的运算、存储和托管等基础设施服务，但是由于组成结构较为复杂，有很多的集群节点组成，每一个集群节点又由很多的硬件构成。依靠强大的硬件设施提供虚拟化云盘、动态资源调度，提升检测企业业务办理综合能力。云服务器架构如图6所示。

图6 云服务器框架Fig.6 Cloud server framework

3 软件仿真

通过物联网将实验室检验检测设备和云端连接在一起，实现实验室检测数据远端存储，在线访问等功能。功能需要完成实验室设备数据PDF解析、封装Json格式、操作人机界面设计、与前置机通信和云端交互。

首先实现PDF文档解析，通过PyCharm编写程序，PDF文档转换字符串，以“＼n”换行符实现字符串分割，再转换成列表利用正则规则封装成Json格式发送特征数据。pdf文档解析成字符串如图7所示。

图7 pdf文档解析成字符串Fig.7 PDF documents parse into a string

使用pyQt5设计人机操作界面，生成exe应用程序。设置好前置机的IP地址和端口号，实验室电脑通过设置对应的固定IP地址与前置机进行通信。操作人员只需在操作界面上发送数据至前置机，如图8所示。

图8 人机操作界面Fig.8 Operation interface

使用笔记本模拟机房中的前置机，实现多台设备发送数据。实验室PC机客户端把数据封装成JSON格式，以字符串、数字、对象、数组等形式把数据上传至前置机数据库，整个传送过程全在局域网内实现，保证实验室电脑不受外网入侵。多台设备与模拟前置机数据通信如图9所示。

图9 多设备运行联合通信Fig.9 Multiple devices joint communications

数据发送至云端实现远端存储，格式实时分类存储，生成电子报告，提高检验检测报告的安全、可信地存储、查验的能力，如图10所示。

图10 云端显示数据Fig.10 Data display on cloud

前端界面以实验室检测检验数据为支撑，为客户提供检验检测认证、设备共享、专家咨询、星级评价、强制检定、检定校准、信息库、报告管理、交易维权、意见建议等方面服务，依托食品安全云和实验室信息管理平台，构建了以检验检测认证服务为核心，并整合第三方资源平台如线上线下支付体系、在线客服、物料体系、机构化标准数据、第三方实验室信息管理系统，实现企业在线检测、认证、设备共享、信息咨询、在线支付、在线物流、在线报告等一列服务。检验检测信息化平台如图11所示。

图11 检验检测信息化平台搭建Fig.11 Construction of information platform for inspection and testing

4 结束语

本文设计实现了将实验室检测数据生成的PDF文档，在PC端使用PyQt5设计的人机操作界面一键发送至云端，实现远程存储，远程访问，安全可信的在线生成电子报告，为搭建检测检验信息化平台提供了数据支撑，可建成检验检测认证公共服务平台，打造以检验检测认证业务、培训、咨询、信息化产品、仪器、耗材、信息库、星级评价、强检、校准为一体的综合服务平台，提供在线全流程无纸化检测；完成平台食品板块无纸化线上检测下单、其他板块提供在线咨询服务，如认证服务、设备共享、桥梁、环境检测等服务内容上线。