魏志军 杨云峰

关键词： 智能实验室; 管理系统; 射频识别; 监控系统; Spring框架; 系统设计

中图分类号： TN915?34; TM73                  文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2018）24?0090?04

Design of management system for intelligent integrated laboratory

WEI Zhijun1， YANG Yunfeng2

（1. Laboratory Construction and Equipment Management Department， Sanjiang University， Nanjing 210012， China;

2. Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： In allusion to the problems that the development and application of the current intelligent integrated laboratory management system are basically blank， the relevant theoretical research is not mature enough， the practical test results are undesirable， the performance of the management system is poor， and the response time of the system are long， a design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the radio frequency identification （RFID） system is proposed and designed. The system mainly consists of two parts of hardware and software. In the hardware part design of the system， the RFID system is adopted to mark and track the laboratory equipments. The intelligent laboratory monitoring system is designed and installed to connect the management system. In the software part of the system， the compiling function of the Java language is employed， and the whole management system is established by using the current mainstream Spring framework. The experimental results show that the design method of the intelligent integrated laboratory management system based on the RFID system can effectively realize management of the intelligent integrated laboratory， obtain accurate practical test result， has good system performance， and can significantly reduce the response time of the system.

Keywords： intelligent laboratory; management system; RFID; monitoring system; Spring framework; system design

0  引  言

當今社会教育和科研事业快速发展，智能综合实验室成为学校和科研机构培养人才和进行科学研究的场所，受到越来越多的重视[1]，实验室管理也将成为对高校评估考核的重要指标。同时智能综合实验室也存在着较多的问题，政府部门和各大高校都加大了对实验室的投入力度，对破旧设备进行更新，大量引入高端先进仪器设备，高校学生规模不断扩大，实验室管理的工作量也大大增加，管理人员在教学的压力下，对实验室的投入精力越来越少，导致实验室管理队伍建设跟不上实验室仪器更新的速度，造成大量的设备资源闲置，得不到有效发挥[2]。为此，很多实验室采用了统一的实验室管理系统，虽然提高了工作效率，减少了小部分手工工作，但是基本上还是以手工方式为主，无法实现实验室智能自动化管理[3?4]。

文献[5]提出一种基于食品安全的智能实验室管理系统设计方法。建立实验室的智能信息化，实现实验室项目在线查询、跟踪和数据的采集、实验室人员量化考核等功能，达到实验室信息管理系统的高效运转，但是采用该方法设计的智能实验室管理系统方法的系统性能相对较低，响应时间较长。文献[6]提出一种基于无源UHF RFID实验室设备管理系统设计方法。该方法将两个无源信息端口的射频识别信号利用功分器将它分到4个天线上，以此获得的实验室射频能量更加均衡。但采用该方法设计的实验室管理系统的系统响应时间过长。

为了解决上述问题，提出并设计了一种基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法。系统主要分为硬件和软件两大部分，系统硬件部分设计采用射频识别系统作为实验室设备的标注和跟踪，设计安装智能实验室监控系统与管理系统相连接;系统软件部分采用Java语言编写功能，利用当前主流的Spring框架来搭建整个管理系统。实验结果表明，所提基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法能够有效实现智能综合实验室管理，所得到的实践测试结果准确，系统性能较好，大幅度提高了系统的响应时间。

1  智能综合实验室管理系统设计

1.1  智能综合实验室管理系统硬件设计

射频识别技术随着物联网技术的发展，通过射频信号电磁耦合来自动识别管理对象并获取相关数据信息。主要有两种工作方式：主动式和被动式。主动的发送数据给读写器和被动的从通信能量电磁波中获取数据。

射频识别技术系统主要由3部分组成，如图1所示。

电子标签是由数据电磁信号耦合元件和芯片组成，每个标签都有一个相对应的射频识别编码，对目标对象进行标注。读写器是读取标注信息的设备。

射频识别系统有3大特点：对每一个物体进行标注，而不是一类物体;对距离较远的多个物体进行同时识别;对数据信息存储量非常大。

本文智能综合实验室管理系统硬件部分设计采用射频识别系统作为实验室设备的标注、跟踪和门禁系统，设计安装监控系统与管理系统相连接。系统主要有以下几大模块，如图2所示。

1） 智能综合实验室设备管理子系统

智能综合实验室管理子系统主要分为两个方面：智能实验室设备信息维护和实验设备统计。

模块的硬件部分设计采用射频识别系统，实现智能综合实验室设备管理的自动化，射频识别系统通过相应的接口与实验管理系统连接，实现管理系统的对应功能，模块架构图如图3所示。

该模块主要问题是射频识别系统的选择和与智能综合实验室管理系统之间的连接问题。在射频识别系统的选择上需要考虑数据信息识别的距离、准确性、安全性的问题以及与读写器的接口标准。根据这些要求可以考虑使用更先进的超高频射频识别系统，射频识别系统与管理系统的接口方式有很多选择，包括无线方式和有线方式，都是比较成熟的解决方案。

2） 智能综合实验室教学管理子系统

智能综合实验室教学管理子系统模块是完成实验教学的功能，主要功能为：实验课程管理、实验成绩管理、对实验数据进行统计等。该模块是标准的智能实验室信息管理系统，大部分功能可通过软件系统表现出来。该系统必须与上述智能综合实验室设备管理子系统进行对接，查询有关的实验设备更新相对应的实用状态，从而实现智能综合实验室设备的预定管理。

3） 智能综合实验室人员管理子系统

实验室人员管理是针对开放式智能综合实验室管理所提出的。在智能的使用环境中，实验室使用人员比较复杂，以往登记方式很难进行登记管理。本文采用的射频识别系统结合了人员管理模块、实现有效的智能自动化的人员管理，主要功能为进出实验室人员登记注册、人员信息隐私保护和权限设定管理等。

在智能综合实验室硬件方面，需要在综合实验室的出入门安装固定射频识别系统读写器，作为出入门禁，对可以随意出入实验室的人员，发放电子标签门卡，并将这些人员信息写入此电子标签门卡中，射频识别系统读写器与人员管理子系统进行连接，有效地完成电子标签信息的读取和信息的写入。该模块实验室门禁系统工作流程示意图如图4所示。

1.2  智能综合实验室管理系统软件设计

智能综合实验室管理系统软件平台使用Java语言编写，能有效实现智能综合实验室管理，如图5所示。智能综合实验室管理系统软件功能为：

1） 用户管理功能。主要功能是对用户进入实验室信息和用户权限进行管理。

2） 实验室数据设置功能。主要功能是实现实验室与各平台服务之间的数据交换和资源共享。

3） 资源管理功能。主要功能是对实验室信息、实验项目、实验队伍、实验仪器、实验室房间进行管理。

4） 智能实验室开放管理功能。主要功能为实验室排队站位、仪器审批、容易破坏仪器赔偿、实验室预约审批、收费資金管理、培训管理、实验室工作日志。

5） 物联管理功能。主要功能是与智能实验室管理控制系统相配合，实现预约审批后才可刷卡进入，为预约实验仪器配置电源和仪器运行使用提供监控和语音提示的功能。

2  系统性能测试与结果分析

为了验证基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法的整体有效性，需要对基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法进行测试。本次测试的操作系统为Windows 7，内存容量为8 GB，硬盘容量为180 GB，将所提方法与基于食品安全检测的智能实验室管理系统方法和基于射频识别系统智能实验室管理系统方法进行系统性能对比实验，测试结果见图6。

分析图6a）可知，采用基于食品安全检测的智能实验室管理系统方法的系统性能测试结果为40%以上;分析图6b）可知，采用基于射频识别系统智能实验室管理系统方法的系统性能测试结果为55%以上，分析图6c）可知，所提方法的系统性能测试结果为80%以上。对比3种不同方法的测试结果可知，采用所提的基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法的系统性能最高，原因在于文中利用射频识别系统和Spring框架的硬件和软件系统进行智能综合实验室管理工作，大大地提高实验室工作效率，具有较高的智能实验室管理系统性能。将所提出方法与基于射频识别系统智能实验室管理系统方法进行系统响应时间对比测试。测试结果如图7所示。

由图7可知，当测试次数为50次时，基于射频识别系统智能实验室管理系统方法的系统响应时间为32 s，所提出方法的系统响应时间为25 s，两种方法的系统响应时间相差不大;当测试次数为100次时，基于射频识别系统智能实验室管理系统方法的系统响应时间为26 s，所提方法的系统响应时间为15 s。测试结果表明，所提出方法的系统响应时间最短。

3  结  论

本文提出并设计一种基于射频识别系统的智能综合实验室管理系统设计方法。其利用射频识别系统的自动化设备管理和Spring灵活性的特点，设计智能实验室管理系统，该系统实现了实验室完整的、智能自动化管理模式，降低了人员手动工作，大大提高了工作效率和数据统计管理的准确性和可靠性。

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