实验室“互联网+检测”模型与技术的构建探索

引 言

随着我国政府对互联网基础设施建设的重视，对大数据、云计算发展战略的部署关注越来越多。目前，国务院发布了《国务院关于积极推进互联网+行动的指导意见》等系列文件， 而这些文件也成为实施互联网+行动计划的纲领性文件， 文件提出要推进互联网+，明确了促进创业创新、协同制造、现代农业等若干能形成新产业模式的重点领域发展目标任务， 并明确了相关支持措施。当前已出现了互联网+教育互联网+ 金融互联网+环保互联网+文物保护等项目[1]， 但互联网+检测方面相对较少，且技术不完善，发展空间较大。

目前，很多实验室都运用实验室软件系统进行实验室管 理，拥有自己的互联网公共平台，使用的检测设备也都具有数 据通信功能。但由于检测设备自带的通信技术、通信协议、文 件格式、数据格式等不统一，使得“互联网 + 检测”的“最后 一公里”无法打通。这已成为实现“互联网 + 检测”的瓶颈。 “互联网 + 检测”将互联网与传统检测技术相结合，通过物联、 传感、通讯等技术构建了智能化实验室，使得实验室具备业务 管理智能便捷、检测数据互通互联、实验室运行参数远程可 控、检测工作远程实施、检测报告自动存储和远程调取等功能。 因此，必须通过智能化技术将样品管理、标准资料、设备耗材、 数据提取、运行监控、数据分析等检测过程中的工作要素通 过数字化方式串联起来，实现工作要素与互联网的互联互通[2]。

1“互联网 + 检测”的功能需求与模型

利用现有计算机、Internet 网络，结合射频识别、图像识 别、传感识别、数据转换等技术实现数据提取。同时，通过 组合使用各种通信技术，将检测数据的检测信息和各监控设 备的监控信息传送到数据库。完成实验室运行、检测设备运转、 产品检测结果等各类数据的自动采集，通过互联互通操作传 输数据并将其存储在云数据库中，实现检测样品、标准资料、 设备耗材、数据提取、运行监控、报告形成、数据分析等工 作的智能化管理。同时，通过计算机访问受限技术可远程读 取实现检测数据。当客户登录系统时，从实验室获取访问权 限，可在数据库中读取所需产品的检测数据和检测报告。客 户也能够将反馈信息存储在数据库中，而实验室可通过访问权 限获取反馈信息，完善检测需求服务。“互联网 + 检测”功能 的主要需求如图 1 所示。“互联网 + 检测”模型如图 2 所示。

2 实验室运行状态多参数监控技术

借助现有的计算机、Internet 网络技术，通过网络将检 测设备的检测信息和各监控设备的监控信息传送到云数据库， 以确保实验员和客户可实时查看每一台设备的运行状况，并检测实验室的环境状况，使实验室管理更加规范。以机电实验 室电热水器能效检测装置为例分析多参数监控。实验室多参 数监控模型的主要运作模式如图 3 所示。

实验室监测系统以 C8051F040 单片机为核心，由传感器、 信号调理电路、数据处理电路、键盘、通信接口等组成。在 对电热水器进行能效检测时，通过温度传感器、功率传感器、 流量传感器等对实验参数进行采集，数据经处理后，由单片 机通信接口电路将数据传输至 CAN 总线（CAN 总线作为目前 最有前途的现场总线之一，拥有实时性好、可靠性高、性价比 突出等优点）[3]。实验室中的其他设备以相同原理分别组成智 能监控系统 2、智能监控系统 3 等。最后，实验室的所有监测 数据都将上传至 CAN-Ethernet 总线（实现现场 CAN 总线网络 和以太网通信之间的转换），最终通过以太网将数据传送至监 控计算机完成实验室多参数的采集。CAN 总线和以太网通信 稳定可靠，数据传输准确无误，监控中心的监控计算机可以 实时准确地获得现场数据 [4]。本系统实现了对监控实验室数 据及时、准确地检测，而 CAN 总线和以太网通信准确可靠的 特性则保证了实验室多参数数据的准确传输，同时实验室人 员可以通过监控计算机随时获取当前及之前的实验设备参数， 方便实时监控和后期检查。

3 实验室智能管控的实施方法与技术

实验室开展的检测工作涉及样品、设备、检具、夹具、 耗材等 [4]，因此，要实现“互联网 + 检测”就需要实验室与这 些物品建立起数据实时交换的互联互通系统，即实验室需实 现智能管控，使得在检测过程各环节的物品能在检测工作中 进行数据自动交换。而实验室可以更多的采用射频识别技术 和传感识别技术。

在射频识别技术中，RFID 标签是主要的数据载体，通 过分布式 RFID 的应用及与 Internet 技术的连接，可实现与贴 标物品的数据交换。实验室可依托自身已有的实验室管理软 件平台，在内部建立 EPC 网络架构。该架构主要由数据库、 应用软件、读写设备以及电子标签等部分组成，如图 4 所示。 实验室将样品管理信息写入 RFID 标签，通过固定式读写器或 手持读写设备与实验室管理软件联通，对样品流转状态、检 测进程、检测状态等实现自动识别，提高样品管理和流程管 理的效率。将设备检具的管理信息写入 RFID 标签，通过固定 式读写器与实验室管理软件的互联，对设备检具的放置位置、 计量周期、维护周期、保养要求等实现自动识别与提示，提 高设备管理的效率和准确性。将耗材和检具的管理信息写入 RFID 标签，通过固定或手持式读写设备，实现对耗材和检 具的智能化管理。甚至可在实验室工作服内放置 RFID 标签， 通过固定式读写设备实现对工作人员活动情况的日常管理 [5]。

随着传感识别技术的发展，新型传感器正向着智能化、 小型化、集成化、多功能化等方向发展，传感器在种类上已 由过去的少数品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、 气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏等，使得传感识 别技术在国防、工业等领域得到成熟运用。智能传感器技术 的飞速发展为实验室实施智能管控提供了更多可选的技术方 案。实验室可组合运用上述传感器技术，依托自身已有的实 验室管理软件，借助现有的计算机、Internet 网络技术，对实 验室设备参数进行实时采集，并将采集的参数通过网络传输 到中央控制系统，实现设备参数的集中管理。中央控制系统采 用图形化界面的方式，将前端传输过来的数据参数进行分析、 整理，通过模拟实验室画面实现实验室多参数监控和运行状 态的互通互联。也可对实验室温度、湿度、电、水、气等运 行参数进行智能控制，提高运行效益。

4 检测数据提取的实施方法与技术

目前，很多实验室都已开发并运用了实验室软件系统，并 建立了自己的实验室数据库，且其配置的多数检测设备都具 有数据通信功能。但由于检测设备的通信协议与技术、输出文 件格式与内容不统一，导致无法自动将检测数据提取至实验 室数据库，而这已成为实现实验室“互联网 + 检测”的瓶颈。 实验室有望通过运用图像识别技术、传感识别技术、Excel 软件技术突破该瓶颈。

图像识别技术利用计算机和数学推理的方法实现了对形 状、模式、曲线、数字的图像识别与信息提取。在实验室检 测过程中，由于指针式电压表、液压表、百分表等检测设备产 生的数据无法实现互联互通，因此常由人工读取数据。对于 这种现象，实验室可采用图像识别技术进行处理。运用 CCD 数据采集代替人工数据提取，由 CCD 采集指针指示数据、指 示柱显示数据等示值图像，通过软件分析提取图像预处理、 二值化、细化特征点，然后形成电子化数据输出，具体如图 5 所示。图像识别技术在人工读数环节的应用，实现了人工读数 环节检测数据的自动提取，而与实验室数据库的融合，使得该 类检测设备的检测数据与互联网实现了互联互通。同时，可 结合软件系统预设的限值对提取出的数据进行结果自动判定， 降低人为错误，提高检测效率。

目前，实验室配置的先进检测设备通常自带检测数据输 出功能。但由于各检测设备自带的数据库结构并不统一，导致 实验室检测数据库无法与检测设备数据库直接对接，输出的 检测数据无法直接进入实验室检测数据库。因此实验室需要 对检测设备输出的检测数据进行二次处理，方可实现数据的 自动提取。虽然检测设备自带的检测数据库结构不同，结果 输出为图形、曲线等，但它们可以将数据以类似 Excel 表格的 形式导出电子数据。因此，在该过程中可使用 Excel 软件技术， 对设备输出的实验室所需数据进行标注，通过软件对标注的 数据自动提取，并将自动提取的数据按照实验室数据库结构 进行自动录入。实现自带检测数据输出功能的检测设备与实验 室数据库的无缝对接。

此外，可将传感识别技术直接用于检测。如前文所述， 由于传感识别技术的迅猛发展，新型传感器不仅向着集成化、 智能化方向发展，也向着种类多样化的方向发展，同时其精度 也越来越高。因此，在精度满足检测工作要求的情况下，可运 用温度、电流、振动、湿度、压力、位置等智能化传感器提 取检测数据，使其可直接服务于检测工作。通过实验室软件 平台，将采集到的数据汇入实验室检测数据库。

5 检测数据传输的实施方法与技术

目前，很多实验室受网线布局等硬件条件的限制，无法 有效保障检测数据传输的实时性，因此实验室“互联网 + 检测”应运而生。可结合实验室布局情况建立多种无线形式的检测 数据传输方式 [6]。

使用有源或无源 RFID 标签，通过 UHF 频段与 RFID 固 定式或手持式读写器进行无线连接，读写器与实验室数据库 进行有线或无线连接，实现数据的互联互通。在设备处设置 无线路由器，使用 WiFi 技术将设备的有线信号转化为无线信 号，然后通过 UHF、ISM 等频段与实验室数据库进行无线连 接，实现数据的互联互通。可在设备中设置蓝牙，采用无连接 （ACL）方式进行数据传输，形成短距离无线通信，实现与实 验室数据库的连接 [7]。互联互通示意图如图 6 所示。

6 结 语

“互联网 + 检测”的内涵涉及实验室智能管控、检测数 据提取、报告自动生成、远程检测实施、客户需求定制服务、 大数据分析等内容，但最关键的是数据提取和互联互通。因 此，在“互联网 + 检测”的推广中应重点对各类数据的提取 技术方法进行研究构建，并应结合实验室实际现状研究通信 技术的组合运用。“互联网 + 检测”是未来检测技术的发展趋 势，所以必须对数据提取技术和通信技术进行研究并取得突 破，才能为“互联网 + 检测”的推广应用以及后续检测需求定 制化服务和检测数据大数据分析等提供技术基础。