1、第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）和 技术在实验室设备定位管理中的应用杨延丽，郑新旺，杨光松（集美大学 诚毅学院；信息工程学院，福建 厦门 ）摘要：针对高校生物实验室大多依靠人力管理的不足之处，和实验品频繁使用带来的巨大安全隐患问题，基于 技术和 自组网无线传输技术，设计了由 电子标签、阅读器、终端节点、协调器网关等组成的实验品门禁管理和定位跟踪系统。重点阐述了基于 接收信号强度的定位跟踪系统，搭建了 自组网无线网络，给每一个已知位置的 阅读器都配备一个 终端节点，以便把 阅读器识别定位到的待测电子标签数据通过 网络实时传到上位机。经测试，该
2、系统可以实现实验品定位跟踪和门禁管理，为生物实验室安全管理提供了一种实用的技术管理手段。关键词：；定位；生物实验室管理中图分类号：文献标识码：引言由于全国高校实验室安全事故频发，实验室安全问题受到社会的广泛关注。其中生物类实验室在各高校中普遍存在，生物实验室中必备的有机试剂、无机试剂、病原微生物、易燃易爆危化品等管理是非常重要的问题。应该严格遵循相关条例放置保存微生物、病毒、工程菌等危害性强的实验材料。实验品如何分类存放，对实验室安全管理至关重要。除了完善安全管理制度、提高师生安全意识、成立管理监督小组等这些人力管理手段之外，逐步运用先进科技手段进行监控和管理是必然的趋势。技术可以在生物实验室
3、危化物品管理中发挥重要作用，通过给危化物品贴上 电子标签，用 门禁系统可以对危化物品做分门别类的存放和管理。采用 定位识别技术，结合 自组网的无线传输技术，可以对重要生化物品进行室内的监控和定位，用技术手段实现精细化管理，实时监控和跟踪被使用情况、存放位置、使用人、使用时间等，可以提升实验室安全性，节约人力管理成本，具备更高的实验室安全水平。系统总体设计实验室管理采用两种方式，方式一：采用 门禁管理，不同生化品放置到规定的管理柜中，消除混放带来的爆炸风险。将必须分门别类存放的生化品贴上 标签，在存放柜的柜门上设置 读卡器，读卡器里录入应该存放该柜里的生化品 标签的 号，只有允许放入该柜的生化品
4、 标签才能刷开该柜门。使用人拿取试剂时刷 卡打开存放柜门，放回时用生化品瓶上的 标签刷开正确的柜门，留下使用人、取用、存放等完整使用记录。方式二：采用 定位加 无线传输，对重点实验品进行实时定位跟踪，解决诸如微生物品被携带出实验室、使用过程无监管、出状况后无法追责等问题。在需要追踪定位的重点生化品上贴 标签，在实验室内部布置多个已知位置的 阅读器，每个 阅读器都配备一个 无线终端节点，阅读器监测待定位 标签的位置，将获取的 标签 号、信号强度等信息，通过 模块上传到网关（协调器节点）上，再通过 串口传送到上位机，该定位跟踪系统结构如图所示。阅读 器 搜 寻 在 自 己 射 频 信 号 覆 盖
5、范围 内 的 所 有 标 签，将 读 取 的 标 签 值返回给 终端节点，终端将标签 号、值 发 送 给 协 调 器 网 关，网 关 汇总各个 阅读器的数据后发送给上位机，上位机通过 信 号强 度 定 位 算 法 计 算 出 该 待定位的 标 签 坐 标位置。上位机将 号、实时位置、门禁系统中记录的使用人等信息汇总记录管理，形成完整的重点生化品监控、跟踪、管理系统。在该系统上还可以实现寻找某一实验品的功能。在上位机输入某一声光电子标签的 号，上位机在管理系统中查找到距离该标签 信号收稿日期：基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（）；年教育部产学合作协同育人项目（）。作者简介：杨延丽（），女，
6、高级工程师，硕士，研究方向：嵌入式系统研究、自动化医疗设备研究。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年最强的阅读器对应的 终端节点的端点号，上位机发指令给 协调器，协调器通过点对点通信发指令给该 终端节点，该节点发送电子标签 号给自己连接的 阅读器，阅读器发出射频信号启动该声光电子标签发出声光报警。图定位功能结构图 射频识别功能设计 门禁管理系统设计 射频识别技术广泛的应用于商品零售、智能交通、电子票证、仓储物流、门禁管理等领域。具有非接触识别、容量大、识别速度快、安全性高、寿命长等特点。选择 射频识别技术用于生物实验室进行人员管理、各种生化试剂分门别类管理。分层级设计的实验室门禁
7、系统如下：（）实验室大门门禁。具备进入实验室权限的人员使用 门禁卡才能进入，门禁系统自动中生成考勤记录、实验室进出记录等。（）设置生化品存放区域门禁。各种酸碱、易挥发、易爆品等不能混放，所以在实验室内部划分不同的区域分类存放，每个区域设置门禁，为不同使用权限的人员分类开放。（）设置区域内每个存放柜门禁。在不同类别的生化品上贴上 电子标签，在每个存放柜上设置门禁，只有属于本类别的生化品的 标签，才能刷开该存放柜的门禁，例如易挥发试剂瓶上的 标签，无法刷开密闭保存柜上的门禁，只能刷开通风柜的门禁。通过 技术手段设置三级门禁系统，实现了实验室人员管理、生化品管理，每日自动生成人员进出、各个生化品取用
8、放回情况记录。还可以对实验室器械、材料建立电子档案，在上位机管理系统中做安全检查记录、维修保养记录等。定位技术 定位技术的基本方法是通过公式计算出待测位置电子标签与多个 阅读器之间的距离，根据与多个已知坐标位置的 阅读器距离，计算出待测标签的坐标位置。定位技术采用的主要方法有：阅读器接收信号到达角度定 位 法（）、接 收 信 号 达 到 时 间 定 位 法（）、接收信号达到时间差定位法（）、接收信号强度定位法（）。（，接收信号强度指示）是根据 阅读器天线采集的信号强度确定待测目标的位置。信号强度会随着传输距离的增加而损耗衰减，所以 值与待测目标位置有关。把传输过程中的损耗转化为距离，计算得到待
9、测节点的位置信息。无线通信器件能够直接获得 值，不需要另外增加硬件器件和电路，并且信号强度的采集和计算都较为简单，适用于无需复杂和精准定位实验室管理场合。只需要获取与待测目标距离最近的三个 阅读器的 值，就可以通过 测距模型计算出待测目标的三维坐标位置。测距模型通过测量无线信号发射功率和接收功率，两者之间的差的绝对值为传播损耗，然后根据信号传播衰减模型，将传播损耗转换为距离，其理论值：（）式（）中，为已知位置阅读器和待测目标的通信距离；射频参数为距离信号发射器为 时接收到平均能量绝对值，单位 ；为信道传输常数，与信号传输环境有关。在室内环境中，测试多组已知位置阅读器和待测目标距离，与对应的 值
10、，画出 和曲线可以拟合求出，的值。则距离可以用式（）的变化形式求解：（）（）式（）中 可以采用多次接收求平均值的方法计算，用来降低环境对测距误差的影响。在实验室的二维平面上，获取信号强度最大的三个阅读器的坐标（，），（，），（，），通过式（）可以求的三个距离值，。根据三边测量法，计算得到待测目标坐标：（）（）（）（）（）阅读器模块设计 阅读器选用单片机 控制 芯片实现，是 非接触式高集成度读写卡芯片，集成了在 下所有类型的非接触式射频识别技术通信协议。与单片机之间采用 接口连接，单片机调用 芯片所提供的函数，实现防冲撞处理、读电子标签 号、读写电子标签块数据等功能。无线通信模块设计第期杨延丽，
11、等：和 技术在实验室设备定位管理中的应用 无线传输网络设计 采用 的高频传输，是一种短距离无线通信技术，通常在室内可以达到 左右的传输距离。具有自组网功能，并且可靠性高、功耗低、抗干扰能力强，能够实现快速灵活组网。协议建立在 设备标准的基础之上，该协议定了三种 设备，协调器、路由器和终端。组建一个完整的 树状网络包括两个步骤，协调器建立网络、节点加入网络。节点加入网络又包括两个步骤，通过与协调器连接入网，和通过路由器入网。在 协议中，协调器负责构建网络，协调器上电后在初始化过程中选择一个网络标识符（）作为网络，选择一个信道建立网络，启动 任务处理操作系统，等待终端节点加入网络。节点入网时扫描信
12、道，选择自己范围内信号最强的路由器节点或协调器，申请加入网络，成功后获得一个协调器分配的网络短地址，通过这个短地址进行数据发送和接收。路由器节点主要实现路由发现、消息转发、扩大网络范围等功能，负责网络内的各种数据分发和路由转发。设计选用 公司的 芯片实现 无线传输网络，在 中运行 协议栈，完成上述 协调器节点建立网络、路由器节点分发消息、终端节点加入的所有网络功能，只需要在 协议栈软件上进行应用层的开发即可实现本系统网络功能。网络拓扑结构如图所示。路由器节点主要作用是扩大网络规模，所以可以根据实验室规模大小选择是否需要路由器节点，以及需要设置多少路由器节点。终端的数量及位置，也需要根据实验室规
13、模大小进行布置。图 网络拓扑结构图模块实物图 阅读器加 终端节点模块设计为了能够将已知位置的 阅读器测得待测电子标签的 值及时传送出去来计算距离值，系统采用 的 串口连接 阅读器和短距离无线传输 终端节点，终端节点可以及时将获取的数据上传至 协调器网关。协调器将接收到的数据通过 上传到上位机，或者从上位机接收指定电子标签 启动该标签的声光报警，以便寻找贴了该标签的实验品。阅读器加 终端节点模块实物如图所示。各模块通信连接结构如图所示。图各模块通信连接结构测试标定，值在实验室内实测 标签与阅读器之间距离，记录对应的 值，将距离的值换算成以 为底的对数值，获得数据记录如图左侧表格所示。其中距离值从
14、 到 ，每个距离下的 值用记录 次求平均值作为结果。对该实测值对 关系进行拟合，得 ，根据式（）可知，。与文献中给出的一定环境下参数和的取值范围相符。识别和定位测试选择一个实验室进行电子标签识别和定位测试，实验室大小为 ，在同一高度平面布置了六个 阅读器加 终端节点模块，实测记录这六个 阅读器平面坐标，协调器网关放置在试验台上并用 线连接上位机。选取 个普通有源电子标签和 个有源声光标签进行测试。测试结果标明，六个阅读器可以实时佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年读出 个电子标签的 号、值、读到的次数等数据，在上位机任选一个声光电子标签 号，点击寻卡按钮，可以准确的使该标签发出声
15、光报警，达到寻卡目的。六个阅读器将实时读到的电子标签信息，通过 无线传输网络上传到上位机，上位机软件为同一个电子标签筛选出信号最强的三个阅读器读到的 值，通过式（）计算出与这三个已知坐标阅读器的距离，再根据式（）计算出该标签的坐标值。在该测试环境中，测试和计算结果表明可以达到 之内的定位精度。图，值拟合曲线结语设计了一种 和 技术在实验室管理系统，提出了一种生化实验室实验品存放管理和定位的技术管理手段。利用 技术实现实验品分门别类存放管理的门禁系统，解决了实验品混放带来的安全隐患问题。同时该门禁系统还能解决进入实验室人员的门禁权限管理、考勤管理、实验品和仪器使用记录等问题。依据 技术的 接收信
16、号强度定位技术原理，设计了实验室内的 定位系统，实现对重点需要监控的实验品进行定位跟踪记录，以及寻找指定实验品。引入 无线传输自组网系统，可以将 定位数据实时上传到上位机，把实施定位的每个已知位置的 阅读器都配备一个 终端节点，及时的将定位数据通过 协调器网关上传到上位机，对实验室内所有贴了 电子标签的实验品进行实时的定位和管理。运行和测试结果标明，本设计可以很好的弥补生物实验室人力和制度管理上的不足，满足生物实验室的生化品管理需求，提高了实验室安全性。参考文献：王东浩，牛俊峰，王世强，等高校生物类实验室实验安全现状探究 实验科学与技术，（）：宫改云 算法参数研究及其应用西安：西安电子科技大学，何海平 室内无线定位系统算法研究 南昌：南昌大学，朱明辉，张会清基于 的室内测距模型的研究传感器与微系统，（）：朱鹏飞基于 的室内定位算法研究昆明：云南大学，（），：，（，；，）：，（），：；