一种基于物联网的智慧实验室管理系统技术方案

技术编号：40027028 阅读：5 留言：0更新日期：2024-01-16 17:39

本发明专利技术公开了一种基于物联网的智慧实验室管理系统，属于物联网管理技术领域，包括设备管理模块、安全监控模块、数据采集模块、预约模块、调度分配模块、访问控制模块、能源管理模块、报警通知模块、资源分析模块、维护提醒模块、用户平台以及平台优化模块；本发明专利技术减少过拟合风险，提高预测精度，能够处理实验室资源调度中涉及的多样化数据类型，有助于研究人员更好地了解资源利用的影响因素，容错性较高，提高缓存命中率，能够灵活地根据实际访问模式来调整缓存中的数据，减少缓存污染，提高用户平台的响应性能。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物联网管理，尤其涉及一种基于物联网的智慧实验室管理系统。

技术介绍

1、在当今科学与技术的前沿领域，实验室起到了推动创新和科研成就的关键作用。从生命科学到物理学，从新材料研发到医疗领域，实验室一直是知识发现和技术进步的孵化器。然而，随着研究的不断深入和实验复杂性的增加，传统实验室管理面临着越来越多的挑战。传统的实验室管理通常依赖于人工干预，这包括设备的手动维护、实验数据的手工记录和实验室资源的手动分配。这种方式不仅容易导致错误和不一致性，还浪费了大量的时间和资源。此外，实验室的安全性和资源利用率也经常受到限制，因为对于实验设备的监控和管理不够全面和及时。然而，随着物联网技术的发展，我们现在有了将智能化和自动化引入实验室管理的机会。物联网技术使各种设备和传感器能够实时连接和通信，同时，人工智能和数据分析技术的崛起为数据处理和决策提供了更多的智能工具。这意味着我们可以重新定义实验室管理方式，提高实验室的效率、安全性和可持续性。

2、经检索，中国专利号cn114971587a公开了基于物联网的智慧实验室管理系统，该专利技术虽然解决了实验室内实验设备、实验器材以及实验材料容易丢失以及短缺的问题，但是预测精度低，无法处理实验室资源调度中涉及的多样化数据类型，不方便研究人员了解资源利用的影响因素；此外，现有的基于物联网的智慧实验室管理系统缓存命中率低，无法根据实际访问模式来调整缓存中的数据，降低用户平台的响应性能，为此，我们提出一种基于物联网的智慧实验室管理系统。

技术实现思路</p>

1、本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于物联网的智慧实验室管理系统。

2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：

3、一种基于物联网的智慧实验室管理系统，包括设备管理模块、安全监控模块、数据采集模块、预约模块、调度分配模块、访问控制模块、能源管理模块、报警通知模块、资源分析模块、维护提醒模块、用户平台以及平台优化模块；

4、所述设备管理模块用于通过物联网连接实验室设备，并自动检测设备运行状态；

5、所述安全监控模块用于通过摄像头和传感器监测实验室内外环境；

6、所述数据采集模块用于采集并预处理实验数据；

7、所述预约模块用于研究人员在线预约实验室设备和空间；

8、所述调度分配模块用于根据实验计划和紧急情况调度设备和人力资源；

9、所述访问控制模块用于验证研究人员身份信息进行开锁；

10、所述能源管理模块用于监测实验室能源消耗，优化设备使用；

11、所述报警通知模块用于检测异常情况并发送警报通知相关人员；

12、所述资源分析模块用于收集和分析实验室资源使用情况，并生成报告和图表，展示资源利用率和瓶颈；

13、所述维护提醒模块用于定期检查设备健康状况，制定维护计划与维护提醒；

14、所述用户平台用于研究人员对实验室数据进行查看与调整；

15、所述平台优化模块用于对用户平台性能进行优化。

16、作为本专利技术的进一步方案，所述安全监控模块所用的传感器具体包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、火焰传感器、压力传感器、运动传感器、紫外线传感器、辐射检测传感器、振动传感器以及水位传感器。

17、作为本专利技术的进一步方案，所述数据采集模块实验数据预处理具体步骤如下：

18、步骤一：对接收到的实验数据进行解析，并将其转换成可处理的数字格式，再通过高斯滤波去除数据中的噪声并平滑数据，之后计算实验数据的标准偏差，之后依据计算出的标准偏差分别对异常数据进行检测并筛除；

19、步骤二：检测是否存在重复的数据记录，若存在重复数据，则将其删除，检测各组数据中存在的缺失值，并标记各缺失值在对应数据中的所在位置，对各组数据中存在的缺失值进行统计和可视化分析以获取缺失值的分布情况和影响范围，并通过knn算法找到的相应的k组数据点的平均值或中位数来替代异常值或缺失值。

20、作为本专利技术的进一步方案，所述调度分配模块设备和人力资源调度具体步骤如下：

21、步骤ⅰ：调度分配模块从数据库中收集历史决策数据，之后将历史决策数据分成不同的状态类别并进行标注，对历史决策数据进行标准化处理后，将各组数据整合归纳成样本数据集，之后按照预设阈值将样本数据集划分为两组特征子集；

22、步骤ⅱ：随机选择一组特征子集，重复进行特征选择和数据集分割，直至决策树的深度达到预定值，将叶子节点的标签确定为该节点中样本数量最多的类别，之后通过递归分裂和叶子节点标签确定，构建出一个完整的决策树，将生成的多组决策树组成随机森林模型，并对该模型进行训练优化；

23、步骤ⅲ：收集并处理最新的实验计划或紧急情况信息，并将处理后的数据输入该随机森林模型中，从随机森林模型的根节点开始，根据参数信息的特征条件逐步遍历树的分支，直到达到叶子节点，并将该叶子节点的标签作为决策结果并输出，并依据决策结果对相关设备和人力资源进行调度。

24、作为本专利技术的进一步方案，所述能源管理模块优化设备使用具体步骤如下：

25、步骤①：能源管理模块通过物联网连接的传感器以及能源计量设备采集实验室能源使用数据，并对采集到的数据进行预处理后，选择各组数据中与能源浪费相关的特征，并使用z-score标准化方法使各组特征尺度一致；

26、步骤②：从能耗数据库中收集与实验室能耗相关的各种知识和信息，并对收集到的能耗知识进行分类、去重以及筛选处理，通过nlp技术识别和抽取出处理后的能耗知识中的实体，再从相关的知识信息中提取每个实体的对应属性，并建立实体之间的关系，形成能耗知识图谱的连接；

27、步骤③：采用三元组的形式将实体、属性和关系处理成对应图状结构，选择合适的图数据库来存储和管理能耗知识图谱，并对能耗知识图谱进行不断地更新和维护，之后将特征信息与知识图谱中的对应实体进行匹配，并将匹配结一致的能源浪费的模式和趋势以及能源消耗模式的设备或实验室区域输出，并生成对应节能策略。

28、作为本专利技术的进一步方案，所述资源分析模块实验室资源使用情况分析具体步骤如下：

29、步骤1：资源分析模块通过物联网设备收集实验室资源的使用数据，将从不同数据源收集的数据整合到集中的数据库中，通过机器学习和图像处理技术，自动识别实验室内的设备、仪器和设施，并使用nlp技术识别实验室资源的文档和文本描述；

30、步骤2：对各组数据进行预处理后，将其分为训练集以及测试集，之后构建资源利用模型，再通过训练集进行模型训练，每个训练周期迭代一次，在每个迭代中，将一组批次的数据输入模型，通过交叉熵损失函数计算此次资源利用模型输出结果损失值，若损失值不满足预设要求，通过反向传播算法来更新权重和参数；

31、步骤3：使用测试集来评估最终训练好的模型的性能，再将训练好的模型部署到相关平台中，将收集到的各组最新本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，包括设备管理模块、安全监控模块、数据采集模块、预约模块、调度分配模块、访问控制模块、能源管理模块、报警通知模块、资源分析模块、维护提醒模块、用户平台以及平台优化模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述安全监控模块所用的传感器具体包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、火焰传感器、压力传感器、运动传感器、紫外线传感器、辐射检测传感器、振动传感器以及水位传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述数据采集模块实验数据预处理具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述调度分配模块设备和人力资源调度具体步骤如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述能源管理模块优化设备使用具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述资源分析模块实验室资源使用情况分析具体步骤如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述平台优化模块性能优化具体步骤如下：

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧实验室管理系统，其特征在于，所述数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯俊鹏，
申请(专利权)人：广州市科颐轩电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

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