鐘 維

（福州大學，福州 350000）

近年來隨著科技生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，社會信息化程度越來越高，高校教育的規(guī)模也越來越大，然而多數(shù)高校實驗室設備管理效率低下，出入庫管理和庫存管理都要依靠管理員手動執(zhí)行。課題組下面的實驗室與實驗室之間設備信息和數(shù)據(jù)查詢沒有同步共享。射頻識別技術（RFID）可以同時掃描目標區(qū)域內(nèi)多個標簽，RFID 標簽有特定的ID，將ID 和設備信息對應起來，可以查看設備狀態(tài)。

RFID 技術的來源是早期雷達的概念經(jīng)過不斷發(fā)展形成了如今的RFID 技術[1]。早期的倉儲信息管理完全依靠人工[2]。

我國的高校教育開始進入提質(zhì)階段，其重點強調(diào)培養(yǎng)當代大學生實踐動手能力和創(chuàng)新意識[3]。課題組下有多個實驗室，這些實驗室分布在不同的校區(qū)，雖然最開始設備的分布信息在課題組有備份，但因為沒有一個完整的系統(tǒng)管理，而學生的科研方向不同，使用這些設備后就將其留在當?shù)?，慢慢地這些設備的分布信息就不明確了，造成管理困難。課題組的科學技術研究需采購儀器設備及實驗室之間的設備調(diào)動，全部由人工管理，效率低下。實驗室的精密儀器設備較多，需要能實時了解設備位置信息。

基于超高頻的實驗室設備管理系統(tǒng)的設計，使用超高頻RFID 電子標簽作為每個設備的標識，電子標簽成本低，不易損壞，同時超高頻電子標簽讀取距離遠，設備統(tǒng)計效率更高。一方面可以更加方便地對實驗室設備進行現(xiàn)代化的管理；另一方面，良好的系統(tǒng)設計，每個實驗室都有1 個采集客戶端，加快檢索和查找速度，很大程度上提高了設備使用的效率。解決了設備智能化管理的問題。

1 RFID 技術的構(gòu)成

目前，在智能識別和自動控制領域，RFID 技術開始被廣泛應用[4]。射頻識別技術是通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞的技術[5]。RFID 系統(tǒng)的分類由不同的工作頻段劃分，由于各個頻段的工作原理有所不同，系統(tǒng)的讀取距離、識別速度、環(huán)境影響和標簽類型都有所不同，應用在不同的領域。本文對RFID 技術原理和應用選擇進行說明。

1.1 RFID 系統(tǒng)構(gòu)成

RFID 系統(tǒng)包括RFID 電子標簽、讀寫器天線、讀寫器和應用軟件[6]。RFID 電子標簽的作用是記錄一串字符信息，這些信息存在加密協(xié)議。天線是信號的接收源和發(fā)射源，信號的傳輸距離和天線的增益成正比。讀寫器負責與電子標簽通信，接收上位機系統(tǒng)的操作指令，完成標簽信息的數(shù)據(jù)讀寫。RFID 系統(tǒng)工作如圖1所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)工作圖

讀寫器和RFID 電子標簽又合稱為響應模塊。響應模塊內(nèi)部的工作過程是讀寫器收到命令后，讀寫器天線向周圍發(fā)射信號，因為本系統(tǒng)使用的是無源標簽，無源標簽本身不產(chǎn)生信號，收到天線發(fā)射的信號后，內(nèi)部的芯片激活，同樣向周圍發(fā)送信號，這些信號里有標簽的信息，里面有標簽ID 的字符信息，讀寫器再解碼這些信息。響應模塊的作用是接收上層應用軟件發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，在響應模塊內(nèi)部完成處理，也就是讀寫器和標簽之間完成數(shù)據(jù)交換。最后應用軟件得到了標簽信息。

1.2 RFID 系統(tǒng)工作頻段劃分

國際電信聯(lián)盟對無線電頻段作了詳細劃分，在RFID 系統(tǒng)中，常用的有低頻、高頻和超高頻3 個頻率范圍。表1 給出了RFID 系統(tǒng)在不同國家地區(qū)3 個頻段的劃分，以及對應的應用場景。

表1 RFID 系統(tǒng)頻段劃分及應用

由表1 可知，低頻的2 個主要頻率是125 kHz 和134.2 kHz，低頻系統(tǒng)信號傳輸慢，但是相對穩(wěn)定，適合穩(wěn)定且讀取距離短的應用，一般應用在牧場動物上。而在高頻階段，應用最廣泛的頻率是13.56 MHz，高頻信號的穿透力較強，但是衰減得很快，所以應用場景是識別距離較短的同時抗干擾較強的，如供應鏈管理。與上述2 個頻段有所不同的是，超高頻的技術還在繼續(xù)發(fā)展，全世界沒有統(tǒng)一的頻段標準。與高頻的工作方式不同，超高頻是通過電場來傳輸能量，傳輸距離遠，可以在短時間內(nèi)讀取大量的電子標簽。但穿透能力較弱，不能透過水和金屬，主要通過電容耦合的方式實現(xiàn)。應用于后勤管理系統(tǒng)、鐵路包裹的管理等。

在本系統(tǒng)中，每個設備都貼附1 個RFID 標簽，標簽有唯一ID 的數(shù)據(jù)信息，閱讀器讀取到標簽信息后，傳輸給上位機，上位機再根據(jù)這些信息與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中設備表的設備匹配，進而得到全部信息。而超高頻RFID電子標簽存儲的數(shù)據(jù)量大、體積小、價格低，可以很好地貼在設備上，降低成本。因此，本課題開發(fā)的實驗室設備管理系統(tǒng)將基于超高頻射頻識別技術展開研究。

2 基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

2.1.1 整體架構(gòu)設計

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為3 層，從底層向上是信息采集、網(wǎng)絡通信及應用層的業(yè)務邏輯處理。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)第一層為感知層，也就是信息采集層，本系統(tǒng)使用超高頻RFID 閱讀器采集標簽數(shù)據(jù)信息，讀取的標簽ID 作為設備標識。感知層獲取完信息后，將信息傳輸給上一層；網(wǎng)絡層作為物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的中間層，主要的作用是采集層與應用層的通信。最頂層是應用層，接收網(wǎng)絡層傳輸過來的信息，處理業(yè)務邏輯，包括系統(tǒng)管理功能和出入庫管理，然后將處理好的業(yè)務信息返回給網(wǎng)絡層，實現(xiàn)一個雙工通信。

2.1.2 技術架構(gòu)設計

超高頻RFID 設備管理系統(tǒng)典范的MVC 模式，采用JavaEE 的 SSM（Spring+SpringMVC+Mybatis）集成框架來搭建。如圖3 所示為技術架構(gòu)圖。

MVC 模式表示的是模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller），MVC 程序的工作流程是：表現(xiàn)層內(nèi)是View 頁面向Controller 控制器發(fā)送請求，通過業(yè)務邏輯層的業(yè)務處理，找到相應的Model 處理，處理完畢后再將處理結(jié)果返回到View 頁面。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設計

基于超高頻的設備管理系統(tǒng)設計了設備信息模塊、設備管理模塊和系統(tǒng)管理模塊3 大模塊。

2.2.1 設備信息模塊

本系統(tǒng)的信息采集和信息查詢?yōu)樵O備信息功能，記錄的用戶都能使用：（1）信息采集功能。每個設備上都有一個超高頻RFID 標簽，RFID 閱讀器讀取的標簽ID 作為設備的唯一標識，搜集到的RSSI 指紋作為設備室內(nèi)定位的信息。（2）狀態(tài)查詢功能。查詢實驗室登記設備的使用狀態(tài)。（3）室內(nèi)定位功能。將采集到的RSSI（接收信號強度）輸入改進的LANDMARC 定位算法中，得到預測結(jié)果，并將這個結(jié)果返回給系統(tǒng)。

設備查看狀態(tài)功能時序圖如圖4 所示。

圖4 設備查看狀態(tài)時序圖

2.2.2 設備管理模塊

設備管理模塊實現(xiàn)的功能是應對實驗室設備管理系統(tǒng)的業(yè)務邏輯，管理員才能使用：（1）出庫管理功能。廢舊設備淘汰和實驗室之間的設備調(diào)動都會有設備出庫，采集錄入設備信息并標記通信模塊特征。（2）入庫管理功能。實驗室采購的新設備和實驗室之間的調(diào)動都會有設備入庫。（3）庫存盤點功能。統(tǒng)計實驗室內(nèi)設備的種類、庫存數(shù)量和資產(chǎn)總值。

入庫管理功能時序圖，如圖5 所示。

圖5 入庫功能時序圖

2.2.3 系統(tǒng)管理模塊

除了基本的信息采集功能的實現(xiàn)和業(yè)務邏輯的處理，管理系統(tǒng)功能也是重要的一部分，對系統(tǒng)使用用戶的管理及系統(tǒng)部分業(yè)務只有管理員才能執(zhí)行，涉及到操作權限的指定。還有最基本的用戶登陸，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，在用戶進行身份認證后，跳轉(zhuǎn)到不同的頁面。權限添加功能時序圖如圖6 所示。

圖6 權限添加功能時序圖

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)中實體主要有用戶、設備、實驗室和申請單等。數(shù)據(jù)實體-聯(lián)系圖（E-R 圖）如圖7 所示。

根據(jù)圖7 的數(shù)據(jù)庫E-R 圖，創(chuàng)建的主要數(shù)據(jù)庫表見表2-表3，確定每張表的主關鍵字（primary-key），每張表的primary-key 應該是這張表的唯一標識。為每個字段選取合適的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)實際情況，選定合適的字段長度，所有的字段名都不應該為空。

表2 用戶數(shù)據(jù)表

表3 設備信息表

圖7 數(shù)據(jù)庫E-R 圖

3 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登錄功能

登錄功能是所有系統(tǒng)必備功能，用戶輸入用戶名、密碼后，后臺會對比數(shù)據(jù)庫中的用戶信息，驗證通過后，系統(tǒng)會將用戶信息存入Session 域，然后根據(jù)用戶信息判斷是用戶還是管理員，接著跳轉(zhuǎn)對應的頁面。登錄頁面如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)登錄圖

3.2 設備信息管理功能

盤點實驗室的設備信息。本系統(tǒng)設置的設備信息有設備編號、設備名稱、設備類型和設備數(shù)量。設備信息管理功能只有管理員能夠操作。接著所以系統(tǒng)會先判斷用戶是否有權限，再進入設備信息管理頁面。系統(tǒng)設備信息管理如圖9 所示。

圖9 設備信息管理圖

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了1 套基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統(tǒng)，研究過程中先對RFID 系統(tǒng)的組成、工作頻段的劃分及應用范圍進行了論述。然后根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和性能需求，構(gòu)建了基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)，包括感知采集、網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)信息處理。技術架構(gòu)設計上，整個系統(tǒng)使用B/S（瀏覽器/服務器）開發(fā)，使用MVC 模式搭建，完美地將前端頁面和業(yè)務邏輯分離。最后對系統(tǒng)的功能模塊和數(shù)據(jù)庫進行設計。射頻識別技術在現(xiàn)代信息化設備管理有很大優(yōu)勢，本文基于超高頻RFID 進行實驗室設備管理系統(tǒng)開發(fā)，提升了設備使用效率和管理效率。