陳昌興

(肇慶學(xué)院　計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東　肇慶　526061)

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基于RFID技術(shù)的高校實驗中心智能管理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

陳昌興

(肇慶學(xué)院計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東肇慶526061)

摘要科技的發(fā)展改變了高校師生對實驗室的信息管理要求，未來的高校實驗室無疑將向更智能化、科技化發(fā)展。RFID技術(shù)給高校實驗室?guī)砹俗兏锏臋C遇，研發(fā)先進的RFID實驗室智能管理系統(tǒng)，對實驗室的開放及設(shè)備進行高效率管理及規(guī)范化，解決目前實驗管理存在的效率低、流程復(fù)雜及預(yù)約使用麻煩等問題，使高校師生能夠方便使用實驗室及實驗設(shè)備，更重要的是提升整個高校實驗中心的服務(wù)水準(zhǔn)和管理理念。

關(guān)鍵詞RFID;防碰撞;智能;管理

RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，利用射頻技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，可以構(gòu)造一個實驗室信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)。RFID技術(shù)的發(fā)展推動科技創(chuàng)新發(fā)展的同時，也給高校實驗室管理提供了廣闊的應(yīng)用前景，借助基于物聯(lián)網(wǎng)RFID無線射頻技術(shù)可以使高校實驗室管理高度智能化，彌補傳統(tǒng)的管理人機交互的缺陷。本文設(shè)計的基于RFID技術(shù)的實驗中心以物與物互聯(lián)為主導(dǎo)，智能拓展和人機管理提升為目標(biāo)的綜合性一體化管理系統(tǒng)，具有人機交互、自動化與智能控制的特點，從而提高實驗中心的實驗教學(xué)管理效率。

1RFID技術(shù)對高校實驗室的變革與影響

1.1服務(wù)的提升

在高校網(wǎng)絡(luò)時代，實驗室服務(wù)對象范圍更廣闊，用戶需求更為復(fù)雜，高校要真正做好實驗室服務(wù)工作，并不是一件容易的事，實驗室應(yīng)以數(shù)字校園網(wǎng)絡(luò)為依托，在已有的條件下加速信息資源電子化進程，根據(jù)用戶的信息變化特征，提高工作服務(wù)管理效率，更好地體現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)管理者的現(xiàn)代服務(wù)理念。運用RFID技術(shù)全程深入地面向用戶和面向?qū)W科研究服務(wù)。實驗室使用智能化，打破實驗室傳統(tǒng)觀念的穩(wěn)固性和獨立性，既降低服務(wù)成本，又提高實驗室利用率，實驗場地及器材也得到充分利用。對實驗室使用者來說，RFID技術(shù)可以給用戶帶來極大的快捷、便利和效率。數(shù)字校園網(wǎng)RFID技術(shù)與實驗室自動化管理系統(tǒng)的有機結(jié)合將會極大地提升實驗室工作效率和人性化服務(wù)水平，實現(xiàn)科學(xué)的實驗室建設(shè)理念和目標(biāo)，通過RFID系統(tǒng)進行實驗室管理，不只是單純的管理效率提升，而是自動化水平與決策正確性提高的同時，服務(wù)效率達到一個質(zhì)的飛躍[1-2]。

1.2智能預(yù)約管理“智能化”

高校實驗中心科研教學(xué)實力不斷提升，服務(wù)教學(xué)的能力進一步增強，但師生預(yù)約使用實驗室仍然不方便，雖然有專門管理實驗室的軟件系統(tǒng)。而RFID技術(shù)的應(yīng)用，使實驗室服務(wù)重心轉(zhuǎn)向多元化、人本化及學(xué)科化服務(wù)。一方面，基于RFID技術(shù)實現(xiàn)實驗室預(yù)約功能，師生個人成功預(yù)約實驗室，進入實驗室刷卡后，實驗室預(yù)約的所在位置以亮燈的方式提示師生找到對應(yīng)位置進行實驗；另一方面?zhèn)€人儀器使用信息得以記錄，從而加快實驗室使用效率，進一步促進實驗室服務(wù)及管理的人性化、自由化、智能化發(fā)展趨勢。

1.3實驗室設(shè)備管理

利用RFID后臺數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計的數(shù)據(jù)信息，對實驗室儀器設(shè)備的使用狀態(tài)進行分析，準(zhǔn)確定位并顯示設(shè)備的具體位置，實現(xiàn)實驗室所有設(shè)備位置數(shù)據(jù)的查詢，并確定經(jīng)常使用的設(shè)備種類及使用情況，以此為依據(jù)進行設(shè)備更新的趨勢分析，設(shè)備適用性與針對性更強、更明確，使用效果改善更加明顯。此外還可以統(tǒng)計出使用較少的設(shè)備資源，分析原因，從而可據(jù)此開展淘汰更新工作[3]。

2RFID管理系統(tǒng)設(shè)計

將物聯(lián)網(wǎng)RFID 技術(shù)應(yīng)用于實驗室管理系統(tǒng)能極大提高實驗室使用管理的效率，同時還有助于提高教學(xué)實驗設(shè)備管理的安全性。為此，本文設(shè)計了主要由RFID實驗管理系統(tǒng)和設(shè)備信息系統(tǒng)組成的實驗中心管理系統(tǒng)，我校的校園一卡通采用的是非接觸式射頻技術(shù)的電子標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)鑲嵌有集成電路芯片和微型收發(fā)天線，學(xué)生或教師的個人信息被編入電子標(biāo)簽的信息碼中[4]；電子標(biāo)簽亦可以編入臨時人員信息，外聘企業(yè)實訓(xùn)講師可以通過領(lǐng)取臨時電子標(biāo)簽來使用實驗室及實驗設(shè)備；同時實驗設(shè)備貼有電子標(biāo)簽貼RFID EPC，通過RFID讀卡器可以方便使用者查詢設(shè)備信息，對象與RFID設(shè)備相互作用如圖1所示。

圖1　RFID系統(tǒng)的對象與設(shè)備的相互作用圖

2.1RFID工作原理

RFID是一種無線通信技術(shù)，即無線射頻識別，讀寫器利用電感或電磁耦合的能量通過感應(yīng)方式識別電子標(biāo)簽，對接收到的數(shù)據(jù)進行收集和處理并傳送信息到目標(biāo)，完成數(shù)據(jù)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)控制與管理中心的讀寫命令和數(shù)據(jù)交換[5]。根據(jù)RFID系統(tǒng)的工作原理，該系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、讀寫器及系統(tǒng)軟件3個部分組成，讀寫器通過天線發(fā)送射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽接收到信號獲得能量并且被激活時，電子標(biāo)簽將自身的內(nèi)存信息通過標(biāo)簽天線以載波信號形式發(fā)送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調(diào)和解碼后傳送到主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)判斷電子標(biāo)簽的合法性，然后做出指令控制讀寫器執(zhí)行操作。本文根據(jù)高校的校園一卡通、身份證的卡片參數(shù)實際情況，采用無源電子標(biāo)簽，這種電子標(biāo)簽原理是通過電感耦合方式從讀寫器獲得工作能量，主要由具有存儲功能的微型芯片和標(biāo)簽天線組成，這種高頻電子標(biāo)簽的讀寫距離一般為3～9 cm，具有可靠性高、操作方便及加密性好等特點[6]，因此符合該RFID管理系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2RFID系統(tǒng)設(shè)計思想

在高校實驗室構(gòu)建較為完善的RFID系統(tǒng)，需要構(gòu)建的硬件設(shè)備平臺包括讀寫設(shè)備、電子標(biāo)簽、應(yīng)用于設(shè)備標(biāo)簽的標(biāo)簽轉(zhuǎn)換機、安全門禁設(shè)備及其他設(shè)備。采用高頻的RFID標(biāo)簽，工作頻率范圍主要在3～30 MHz，典型工作頻率為13.56 MHz，標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1m[7]。系統(tǒng)軟件方面主要包括中間件平臺及應(yīng)用管理軟件兩部分。中間件主要作用是連接RFID硬件和應(yīng)用軟件的通用服務(wù)，實現(xiàn)不同硬件設(shè)備與應(yīng)用管理軟件通信[8]。應(yīng)用管理軟件可以采用原來的實驗室管理系統(tǒng)，一般來說實驗室管理系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計時都會有應(yīng)用接口，只要存在ID的實物對象都可以采用RFID進行管理。讀寫器獲得信息(包括師生及其他使用者、電子設(shè)備等信息)后會對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，同時和中心管理軟件進行雙向數(shù)據(jù)交換通信，中心服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)即時電子信息更新數(shù)據(jù)，并配置系統(tǒng)，對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，完成對數(shù)據(jù)管理和通信傳輸[9]。

2.3防碰撞的關(guān)鍵技術(shù)

RFID系統(tǒng)在使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)類似網(wǎng)絡(luò)沖突現(xiàn)象，即多個標(biāo)簽在同一時間同時響應(yīng)，出現(xiàn)信號互相干擾問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突造成讀寫器與標(biāo)簽通信失敗，由于讀寫器與多個標(biāo)簽使用同一無線信道，因此需要一種高效的防碰撞算法以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，做到多標(biāo)簽同時識別?？紤]到實際應(yīng)用中較常容易出現(xiàn)的情況(即一個讀寫器和多個標(biāo)簽同時存在)，做到多目標(biāo)識別，在該管理系統(tǒng)設(shè)計中采用動態(tài)二進制樹搜索算法來提高系統(tǒng)的標(biāo)簽防碰撞能力[10]，以解決RFID碰撞問題。由于電子標(biāo)簽含有可被識別的序列號UID碼，考慮到UID位數(shù)不變情況下，動態(tài)二進制搜索算法可按照以下7個步驟完成。

1)設(shè)定讀寫器一次可識別標(biāo)簽數(shù)量UID數(shù)位碼上限為K和標(biāo)簽數(shù)量為n，當(dāng)1≤n≤N時，迭代次數(shù)t =0，允許最大迭代數(shù)為t=n-1。

2)讀寫器發(fā)出完整的K位全為1的UID碼，所有標(biāo)簽發(fā)回響應(yīng)，數(shù)量為n。

3)讀寫器判斷有碰撞(即有序列號該位為0，而存在其他序列號該位為1)的最高位數(shù)X，并把該位置0，然后傳輸K～X位數(shù)據(jù)。

4)合法標(biāo)簽接收到數(shù)據(jù)后，響應(yīng)并回傳信號位X-1～1的數(shù)據(jù)。

5)讀寫器再次判斷回傳數(shù)據(jù)的最高碰撞位數(shù)X′，如X′≥X，則該X′位置0；如果X′

6)標(biāo)簽接收信號后回應(yīng)，回傳信號位為X′-1～1的數(shù)據(jù)；若標(biāo)簽返回信號表示無碰撞，則對該標(biāo)簽進行讀寫，并使其進入“不響應(yīng)狀態(tài)”。

7)置t=t+1，返回步驟1)，繼續(xù)讀寫其他標(biāo)簽[11]。

如當(dāng)讀卡器發(fā)出識別信號時，出現(xiàn)4個標(biāo)簽響應(yīng)，其查找標(biāo)簽過程如表1所示，該表給出了一個標(biāo)簽的查找過程，其他標(biāo)簽同理。

表1　動態(tài)二進制數(shù)搜索防碰撞算法實現(xiàn)表

注：×表示存在沖突

3智能管理系統(tǒng)的主要功能及特點

在軟件環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)方面選擇Microsoft的.NET作為開發(fā)平臺，采用Microsoft Visual Studio 2008和SQL Server 2008作為軟件和數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，其具有平臺無關(guān)性、高效性及安全性，符合RFID技術(shù)應(yīng)用分布和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?；赗FID技術(shù)的實驗中心智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于RFID技術(shù)的實驗中心智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1實現(xiàn)實驗室遠程開放管理功能

近年來我校致力于校園信息化建設(shè)，建設(shè)有校園一卡通校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并采取多項措施開發(fā)及引進高質(zhì)量的教學(xué)信息資源。由于高校實驗室的設(shè)備資源有限，為了極大限度地使用教學(xué)資源，在建立UID RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)組建實時實驗室信息共享平臺，將系統(tǒng)操作融入實驗室開放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，使師生能夠?qū)崟r與RFID系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)全校師生在網(wǎng)上預(yù)約實驗室。師生只需要在RFID管理平臺系統(tǒng)預(yù)約實驗室機位，根據(jù)預(yù)約時間，進入實驗室使用對應(yīng)的教學(xué)設(shè)施。實驗室使用分配包含兩層意義：一是根據(jù)使用者類別在最大限度保證實驗室容納人數(shù)情況下分配實驗室；二是根據(jù)實驗室設(shè)備情況分配實驗設(shè)備。對實驗中心管理方來說，實現(xiàn)自動實驗室使用管理和實時實驗設(shè)備使用信息查詢，能通過電子屏顯示實驗室機位信息及其設(shè)備信息，做到合理地分配實驗室設(shè)備使用，并能減少人工操作和信息維護。

3.2實現(xiàn)實驗室門禁及安保特色功能

實驗室門禁系統(tǒng)在智能實驗室中是安保自動化的一部分，可為實驗室管理提供一個高效、安全的工作環(huán)境。該門禁系統(tǒng)具有以下特點：對實驗室通道出入進行控制，只有預(yù)約該實驗室的合法時間段的師生才能出入，同時記錄進數(shù)據(jù)庫，管理者可以查閱并導(dǎo)出實驗室的出入人員數(shù)據(jù)，實現(xiàn)考勤功能。在實驗室安保方面，RFID管理員對持有合法卡片師生的進出權(quán)限進行設(shè)定，如設(shè)置允許進入實驗室的時段，其余時間不允許進入，同時杜絕外來人員隨意進出，既方便系統(tǒng)管理員對實驗室使用情況管理，又增強了內(nèi)部實驗室的安保。在系統(tǒng)實時性方面，現(xiàn)場控制器采用獨立的電源箱供電，即使220 V斷電，仍然可以用控制器電源箱供電5小時，此外門禁系統(tǒng)增加長效型UPS不間斷電源為門禁系統(tǒng)打造高效的供電平臺，可以滿足系統(tǒng)長時間停電時繼續(xù)供電的需要，以保證門禁系統(tǒng)正常運行。

3.3實現(xiàn)實驗設(shè)備移動管理功能

在現(xiàn)代高校實驗資產(chǎn)管理中，實驗設(shè)備的丟失、儀器的位置無法確認(rèn)成為日益突出的問題。傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)只把實驗設(shè)備的位置信息存在數(shù)據(jù)庫中，由于設(shè)備有可能被移動或者借出，管理系統(tǒng)卻不能進行及時更新，因此其位置屬性經(jīng)常是過期無效的[12]，即使在管理系統(tǒng)對其移動信息進行登記，其過程比較麻煩，可以說傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)離自動化、智能化資產(chǎn)管理還存在一定的差距。利用RFID技術(shù)的優(yōu)勢，將RFID技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)是一個提高資產(chǎn)管理效率的好方法，RFID EPC關(guān)聯(lián)設(shè)備，通過RFID 打印機將實驗設(shè)備信息寫入RFID 標(biāo)簽的同時并打印出，然后將RFID 標(biāo)簽粘貼在實驗室設(shè)備上。管理資產(chǎn)時，選擇CS101超高頻RFID手持讀卡器，配合RFID系統(tǒng)，實現(xiàn)對資產(chǎn)的移動定位，并可快速獲取實驗室設(shè)備的信息查詢，同時可以根據(jù)使用情況進行錄入、調(diào)撥、轉(zhuǎn)移、回收及報廢等信息進行實時更新，有效解決傳統(tǒng)資產(chǎn)管理系統(tǒng)的流程煩瑣又低效問題，對資產(chǎn)管理帶來極大的便利。

4使用評估及效果分析

基于RFID高校實驗中心管理系統(tǒng)在運行過程中，可能會出現(xiàn)一些系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，因此須提高故障轉(zhuǎn)移的應(yīng)變能力，以便在最短的時間內(nèi)使用代替系統(tǒng)工作，把故障隱患控制到最小限度。這就要為RFID系統(tǒng)設(shè)備進行使用評估及改進，通過實踐檢驗將系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場安裝工程結(jié)合起來，在系統(tǒng)正式運轉(zhuǎn)之前進行試點實施工程，對硬件和軟件進行一個全面的測試，在試點工程調(diào)試中把潛在的故障問題進行排除解決并做出改善，將系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整到最好的狀態(tài)，保證系統(tǒng)在正式實施和日常使用過程中更加穩(wěn)定、有效。

通過RFID與高校校園網(wǎng)相結(jié)合，我校RFID實驗中心管理系統(tǒng)的實施，收到良好的效果，該系統(tǒng)實施后原實驗室預(yù)約使用難、實驗室資源空置等問題得到有效控制；預(yù)約實驗室流程大為簡化，避免了追加儀器設(shè)備的購置，降低了設(shè)備購置經(jīng)費，更重要的是應(yīng)對師生使用實驗室的能力大大加強，同時進一步提高了師生使用實驗室的滿意程度；減輕實驗室資產(chǎn)管理工作的負(fù)擔(dān)，與以往的實驗室資產(chǎn)管理相比，管理精度得到顯著提升，實驗室資產(chǎn)信息內(nèi)容更加準(zhǔn)確，對其位置信息等掌握得更加精確。對高校實驗室來說，提高實驗室管理效率還不能完全反映出RFID技術(shù)的優(yōu)勢，更重要的是RFID技術(shù)的引入帶來最大的效果在于其使高校實驗室業(yè)務(wù)管理流程變得透明的同時更使實驗室規(guī)劃決策判斷變得更加靈活。

參 考 文 獻

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收稿日期:2015-04-17；修改日期: 2015-05-25

基金項目：肇慶學(xué)院實踐教學(xué)改革研究項目(sjjx201525)。

作者簡介：陳昌興(1982-)，男，碩士，實驗師，主要從事高校實驗管理、實踐教學(xué)工作。

中圖分類號TP274+.2

文獻標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.013

Design and Application of Intelligent Management System of College Experiment Center Based on RFID Technology

CHEN Changxing

(Faculty of Computer Science and Software，Zhaoqing University，Zhaoqing 526061，China)

AbstractThe development of science and technology has changed the college teachers and students’ information management requirements for a laboratory，University Laboratory of the future will no doubt to be more intelligent and scientific technological development.RFID technology brings the opportunity to change the university laboratory，the use of RFID technology to non-contact recognition read-write，storing the data characteristics，the research of advanced RFID Laboratory of intelligent management system，efficient management and standardization of open and lab equipment，solves the problems that the present experiment management low efficiency，complex process and make trouble，etc.It is difficult to solve the problem，the college students can facilitate the use of laboratory and experimental equipment.The most important is to raise the service level and college experiment center management concept.

Key wordsRFID;anti-collision algorithm;intelligent;management