涂勇輝， 韓　勇， 張功萱

(1.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008; 2.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

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一種基于W7100A的實(shí)驗(yàn)室儀器信息采集系統(tǒng)

涂勇輝1， 韓勇1， 張功萱2

(1.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008; 2.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

摘要:針對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器信息統(tǒng)計(jì)中的準(zhǔn)確性、完整性欠缺及低效率等問題，設(shè)計(jì)了一種全新的實(shí)驗(yàn)室儀器信息采集系統(tǒng)，以低功耗網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100A為系統(tǒng)的主控制器，通過SHT11溫濕度傳感模塊和ZLG500AT射頻IC模塊直接采集儀器的環(huán)境參數(shù)等信息，通過用戶與上位機(jī)客戶端軟件交互的方式采集儀器的工作內(nèi)容等信息，相較于傳統(tǒng)的手工記錄方式，信息采集的及時(shí)性、完整性、可靠性方面都有了極大的提高。

關(guān)鍵詞：W7100A； 實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)； 采集系統(tǒng)； 儀器信息

0引言

目前,在科研院所、高等院校等科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器使用較集中的地方，儀器管理水平參差不齊[1]，儀器信息統(tǒng)計(jì)隨意性強(qiáng)，信息準(zhǔn)確性和完整性欠缺[2]，有的僅依靠人工記錄的文件進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息化管理，信息化水平較高的實(shí)驗(yàn)室則通過實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)系統(tǒng)進(jìn)行管理[3,4]。 他們共同的特點(diǎn)是儀器信息的采集往往限于購(gòu)置、部署、變更時(shí)進(jìn)行，通常采用人工手動(dòng)方式將儀器的功能、特點(diǎn)、使用等相關(guān)信息進(jìn)行記錄，最后通過LIMS系統(tǒng)或其他方式進(jìn)行信息管理。若要進(jìn)一步對(duì)儀器實(shí)行科學(xué)高效的管理，這種傳統(tǒng)的信息采集方式將面臨諸如手動(dòng)記錄效率低、儀器信息不夠完整、更新周期較長(zhǎng)等問題，對(duì)于儀器具體的使用信息，儀器的工作狀態(tài)，無法及時(shí)有效地獲取，特別是對(duì)于儀器較多的單位，提高儀器信息采集的效率和水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的科學(xué)管理，合理配置，顯得尤為重要[5,6]。

本文設(shè)計(jì)了一種全新的自動(dòng)化儀器信息采集系統(tǒng)，通過各種方式采集儀器的環(huán)境、狀態(tài)、工作等信息。充分利用儀器的計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，開發(fā)專門的上位機(jī)客戶端軟件與儀器用戶進(jìn)行交互。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)與服務(wù)端進(jìn)行通信，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)準(zhǔn)確，通過串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的安全隔離。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)通過IC模塊和溫濕度傳感模塊直接采集儀器的用戶ID、儀器工作環(huán)境的溫濕度等信息；此外，用戶通過與上位機(jī)的客戶端軟件交互，及時(shí)將儀器工作的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及儀器的工作內(nèi)容通過串口發(fā)送給采集控制器，最后再通過以太網(wǎng)將信息傳輸至LIMS系統(tǒng)服務(wù)器。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig 1　Overall architecture of system

1.1系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

采集控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，選用成熟的模塊和器件進(jìn)行集成，以保證其可靠性和兼容性[8,9]。其硬件結(jié)構(gòu)主要由微控制器模塊、通信模塊、溫濕度傳感模塊、射頻IC模塊幾部分組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微控制器采用WIZnet公司最新型的網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100A，它是一種功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)微處理器，包含一個(gè)與8051兼容的8位CPU內(nèi)核和硬件的TCP/IP內(nèi)核。W7100A的CPU內(nèi)核是一種高性能、速率優(yōu)化的8位嵌入式控制器，使用片內(nèi)存儲(chǔ)高速運(yùn)行，接口豐富，可靠性高；內(nèi)嵌的TCP/IP內(nèi)核是一個(gè)全硬件的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP，UDP，IPV4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE，并集成了以太網(wǎng)MAC和PHY，內(nèi)部還擁有32 k字節(jié)的存儲(chǔ)器用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　數(shù)據(jù)采集控制器Fig 2　Data acquisition controller

系統(tǒng)采用瑞士SENSIRION的SHT11溫濕度傳感模塊負(fù)責(zé)采集儀器工作環(huán)境的溫濕度參數(shù)，它屬于 Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器采用專利的CMOSens?技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。射頻IC模塊負(fù)責(zé)讀取用戶的身份卡，采用了周立功的ZLG500AT模塊，它可以讀寫MIFARE非接觸式智能卡，提供了一個(gè)三線通信接口可受控于主機(jī)微處理器。

以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)控制器與局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上的服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信[10]，W7100A內(nèi)嵌了硬件TCP/IP內(nèi)核，集成了以太網(wǎng)的MAC和PHY，可直接和內(nèi)置變壓器的RJ45插座13F—60LDNL連接，程序上只需進(jìn)行Socket編程而不涉及以太網(wǎng)底層的控制，相比較于大部分通過使用專門的以太網(wǎng)控制器芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的方式，使用簡(jiǎn)單，易于編程，大大減少了代碼長(zhǎng)度。

串口通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)軟件與控制器的數(shù)據(jù)交互，考慮到串口接頭使用時(shí)插拔的操作方便問題，設(shè)計(jì)時(shí)采用CH341T作為接口芯片，將串口接頭轉(zhuǎn)接成USB接頭， CH341T是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線仿真異步串口，可將普通的串口設(shè)備升級(jí)到USB總線，同時(shí)可利用USB接口的5V電壓為本系統(tǒng)供電。

1.2上位機(jī)客戶端軟件

儀器何時(shí)開始工作、何時(shí)結(jié)束工作、以及工作的內(nèi)容是什么，對(duì)于這些信息，不同的儀器無法通過通用的硬件模塊感知，考慮到大部分儀器都配置了計(jì)算機(jī)，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用上位機(jī)客戶端軟件與用戶交互的方式，通過既定的業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器信息的采集。

2系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作流程如圖3所示，儀器的計(jì)算機(jī)開機(jī)后通過USB給采集控制器供電，采集控制器向服務(wù)器發(fā)送TCP/IP連接請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)連接成功后，紅色指示燈亮起，客戶端軟件將顯示進(jìn)入聯(lián)機(jī)模式并等待用戶刷卡進(jìn)入，如圖4所示。

圖3　工作流程Fig 3　Work flow chart

圖4　等待刷卡界面Fig 4　Interface waiting for swiping card

用戶刷卡后，控制器將用戶卡號(hào)和儀器的設(shè)備編號(hào)以及儀器環(huán)境的溫濕度信息發(fā)送到服務(wù)端，服務(wù)端記錄信息并查詢事先注冊(cè)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷該卡號(hào)是否注冊(cè)和是否有該儀器的使用權(quán)限，并將結(jié)果通過控制器反饋給客戶端。如果查詢到該卡有效且有權(quán)限，則返回用戶事先在LIMS系統(tǒng)中生成的委托單，客戶端將列表顯示委托單信息，如圖5所示，否則，給出相應(yīng)提示，并繼續(xù)鎖定計(jì)算機(jī)。

用戶選擇相應(yīng)操作后，客戶端將隱藏至后臺(tái)，此時(shí)可開始使用儀器工作。若需重新選擇其他操作，則需要再次刷同一張用戶卡，退出之前的操作來重新選擇，如圖6所示。每種工作內(nèi)容的選擇以及時(shí)間點(diǎn)都會(huì)被記錄在客戶端本地日志中，在使用結(jié)束時(shí)，日志將通過控制器上傳到服務(wù)端被記錄。這樣每次使用儀器時(shí)，都將通過控制器直接采集用戶ID信息和儀器工作環(huán)境信息，通過用戶與客戶端的交互形成儀器的工作內(nèi)容和各時(shí)間點(diǎn)信息，再經(jīng)控制器進(jìn)行采集。

圖5　選擇委托單界面Fig 5　Interface selecting order ticket

圖6　退出界面Fig 6　Interface of exiting

3數(shù)據(jù)采集結(jié)果

在LIMS系統(tǒng)服務(wù)端，將匯總儀器的各項(xiàng)信息，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示，這些信息都是在使用儀器時(shí)由儀器信息采集系統(tǒng)自動(dòng)收集并生成的及時(shí)、全面的原始數(shù)據(jù)，是統(tǒng)計(jì)儀器的工作效率，用戶的工作量等信息的重要源數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100A構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室儀器信息采集系統(tǒng)，通過直接采集方式和與用戶交互的采集方式，將儀器信息傳輸至LIMS系統(tǒng)服務(wù)器中，上位機(jī)采用串口方式與采集控制器通信，采集控制器通過建立TCP/IP連接與服務(wù)器通信，通過這種方式，儀器的計(jì)算機(jī)既實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)端服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了與以太網(wǎng)的安全隔離[11]。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的儀器信息記錄方式，大大提高了用戶工作效率，同時(shí)，及時(shí)全面的儀器信息為科學(xué)管理儀器提供了數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn):

[1]趙青山，鄒月利，徐雅琴.大型儀器設(shè)備科學(xué)管理體系的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010,8(3):171-173.

[2]陳紅，王壽輝，徐錫榮，等.高校儀器信息的標(biāo)準(zhǔn)化管理研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014(2):268-270.

[3]楊海鷹，沈彤，陸婉珍.LIMS與實(shí)驗(yàn)室管理[J] .現(xiàn)代科學(xué)儀器,2002(1):25-26.

[4]傅學(xué)勝.實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)的進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].上海計(jì)量測(cè)試,2003,30(4):36-37.

[5]畢衛(wèi)民.學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)推進(jìn)高校大型儀器共享平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10):258-261．

[6]周麗.轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)備管理思想 提升實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理水平[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013(7):239-241.

[7]周勇義,凌輝,張黎偉.勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室科研平臺(tái)的啟示[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(7):139-143.

[8]鐘君,蔡黎明,于涌.基于MLX90614的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(3):87-89，93.

[9]劉承橋,張耀南，馮克庭，等.基于MSP430F149的冰川參數(shù)采集系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015(5):59-62.

[10] 張宇翔,劉偉,郭敏.基于AVR高性能單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(3):81-84.

[11] 李鵬.以太網(wǎng)安全通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2010:9-23.

涂勇輝(1982-)，男，江西南昌人，碩士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。

A system of acquiring laboratory instrument information based on W7100A

TU Yong-hui1, HAN Yong1, ZHANG Gong-xuan2

(1.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.School of Computer Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:Aiming at problem of low accuracy,integrality and low efficiency in laboratory instrument information statistics,design a new system of acquiring laboratory instrument information,which uses low-power consumption microprocessor W7100A as main controller.The system acquires the environment parameters information directly by using the temperature and humidity sensor module SHT11 and the RF IC module ZLG500AT,and working information of instruments by user-host computer client interaction,compared with traditional manual recording model,speed,completeness and reliability of information acquiring have been greatly improved.

Key words:W7100A; LIMS; acquisition system; instrument information

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000—9787(2016)01—0079—03

收稿日期：2015—11—13

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0079—03