实验器材共享管理系统

顾云凌 詹鹏 陈新强 刘茂艳 魏文娟 杨文竹

摘要：国内外预约、共享管理平台飞速发展，该类平台可涉及多个领域，对于高校、企业等组织购入的各类器材也可以利用此种管理模式，实现网上预约、自动登记借还，高效便捷、节省人力。

关键词：预约管理;器材共享;NI-myRIO;虚拟交互界面;UWB定位

1.引言

现随着国内外器材共享平台的不断涌现，该系统可涉及多个领域，对企业、学校等组织而言器材的妥善管理、资源共享有着重要意义，一个较为完善的器材共享管理系统较人为对设备进行登记更加方便快捷。我们可以通过这样的系统与超宽带定位技术实现设备借还时的自动登记，智能车在监测设备环境的同时可引导设备位置，因而可实现无管理人员的自动借还模式。

2.系统设计

2.1设计背景

预约管理模式是目前国内外比较流行的一种器材使用管理方式。预约管理模式的思想是：利用信息化的手段，在器材共享平台上提供预约功能，用户通过实名认证后，在网上预先约定使用设备的时间段，经后台管理员审核通过后，在指定时间段内使用器材[3]。本文提出的實验器材共享管理系统是一种集预约、自动借还登记、设备环境监测于一体的系统，其具有操作便捷、规模可大可小、减少人力、可实现资源共享等优点。

2.2系统总体结构

本设计是以单片机为控制核心、以NI-myRIO为数据处理的服务器的集多种功能于一体的系统。该系统的交互部分可通过手机、电脑、混合现实技术的Hololens眼镜进行操作，硬件设计部分由单片机控制模块、无线模块、超声波避障模块、UWB定位模块、循迹模块、温湿度报警模块、烟雾报警模块等多个部分组成。

2.3定位模块选型

在本文设计中，应用的场景大多为室内，且实施规模可大可小，因此采用了精度更高的UWB（Ultra Wide Band）超宽带定位技术，选择了DWM1000定位模组。超宽带定位技术相比较WiFi、蓝牙、Zigbee等其他定位技术，UWB技术具备定位精度高、安全性好、传输速率高、系统容量大、功耗低、抗干扰能力强等诸多优势。[5]

2.4无线通讯设计

本设计采用无线ESP8266串口WiFi模块，其具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景。ESP8266芯片的工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境。

2.5智能车核心开发板选型

NI-myRIO是嵌入式系统的开发平台，此项目中作为智能车数据处理的核心服务器，STM32开发板作为控制各个模块的控制核心。通过 STM32 搭载 NI myRIO 来实现实时采集参数、数据的处理与存储、数据通信功能以及循迹避障功能，来帮助实现智能车的自动巡检;智能车上搭载的超声波避障和红外报警装置，通过自动巡检可实时监测器材所处环境是否发生异常，异常时能够利用移动通信模块及时向管理人员发送信息并发出警报，实现实验室无人监管状况下的安全保障[4]。

2.6智能车借还功能的实现

小车接收到借物通知时，将根据设备信息在已录入的数据库中检索该设备以及对应的位置信息，引导工作人员或用户到达正确的位置对设备进行搬运[2];由于设备所在区域已被超宽带基站覆盖，且设备上贴有超宽带标签，一旦设备离开该范围且已接收借出通知[1]，系统将认为此设备被借出，并在数据库中设备状态中标明。归还设备时与以上流程相似，收到归还设备通知时，等待设备进入有效范围内并记录位置信息更新数据库。

3.程序设计

本文设计并开发了一套基于云平台和超宽带定位技术的器材共享管理系统。利用云平台高速同步、安全可靠的特点，实现了用户在不同的网络环境或不同的终端都可以放心地访问器材管理系统提供给用户的数据库来获取信息，更加高效便捷且能够保证各个终端数据的一致性;利用超宽带定位技术穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，实现室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航、提供更高的定位精度[1]。

4.实物调试

选取一间较空旷的房间尽可能少的障碍物，固定好三个UWB基站位置，原则上三个基站设置于同一平面上，确保实验区域被完全覆盖。将UWB基站与标签全部接入电源，使得定位系统处于工作模式;此模式下通过终端交互界面选取器材，可观察到所需器材在室内的位置，同时智能小车在收到取物通知后将引导人到达设备所在地点。当设备离开有效区域时若已收到“借出”通知，则将该设备标记为“已借出”，否则视为异常。

5. 结论

此项目利用虚拟现实技术完成指定器材的演示和借存工作。利用 unity3D 建立虚拟场景、设置交互界面，下载至Hololens供用户根据器材信息选择所需设备，根据智能提示，用户可快速找到器材位置;也可通过智能小车引导人到达正确设备位置完成借存;智能车搭载了温度、烟雾报警装置等，可在意外事故发生时及时报警。对于虚拟器材，用户可通过 Hololens体验和学习，也可自行下载到PC端进行操作。终端间信息传输和数据同步将通过WiFi信号和云计算实现。

该系统实现了器材的共享，增加了器材的利用率，在此基础上弥补了传统器材管理模式上存在的问题，自动登记器材情况替代了人为登记、智能车自动巡检替代了管理人员日常监测，同时更加明确了已有器材的种类、型号等，有效减少和避免了器材的盲目购置问题。

参考文献：

[1]黄元龙.超宽带电子标签技术研究[D].杭州电子科技大学，2014：2-10.

[2]柴作鸿.多功能巡检机器人的系统设计[D].天津工业大学，2019：59-74

[3]何颖.高校大型仪器设备共享管理平台的设计与实现[D].华南理工大学，2014：5-11

[4]杨牧垚，谢敏，张学军.清洁机器人避障系统与路径规划设计[J].长江信息通信，2021，34（07）：14-17.

[5]Xia Bin et al. UWB Positioning System Based on Genetic Algorithm[J]. Journal of Computer and Communications， 2021， 09（04）：110-118.

作者简介：

顾云凌（1999-），女，天津人，天津职业技术师范大学本科在读，测控技术与仪器方向。

基金项目：

天津职业技术师范大学2018级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202010066071。