王燕燕，尹曉紅，雷 天，羅 欽

（深圳技術(shù)大學 城市交通與物流學院，廣東 深圳 518118）

引言

實驗室是高校教學與科研工作的重要場所，實驗教學是高校教學的重要組成部分［1］，不斷發(fā)展和完善的實驗內(nèi)容及管理方法為人才培養(yǎng)提供了重要保障，而設備管理是較為重要的一個環(huán)節(jié)。近幾年，高校實驗室建設速度逐漸加快，但是實驗室設備管理速度卻沒有跟上。由于實驗室設備數(shù)量龐大、種類繁多，傳統(tǒng)的人工出入庫與盤點速度慢、效率低，信息管理系統(tǒng)的使用解決了實驗室設備的統(tǒng)計與出入問題，但是仍需要人工操作。隨著實驗課程和創(chuàng)新實驗活動的增多，實驗室內(nèi)的設備流通變得越來越頻繁，給實驗設備管理人員帶來很大挑戰(zhàn)［2］?；赗FID的位置感知技術(shù)屬于非接觸式的主動式識別技術(shù)，有著較強的跟蹤和追溯能力。將RFID標簽固定到實驗設備上，實驗室門口設置RFID閱讀器，設備在進出實驗室時可被主動讀取，自動完成錄入與出庫工作，實現(xiàn)設備自動定位、跟蹤，從技術(shù)上實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)控，從而提高實驗室設備管理的穩(wěn)定性和安全性。

一、RFID技術(shù)概述

（一）RFID技術(shù)

RFID（radio frequency identification，無線射頻識別技術(shù)），即通過射頻信號自動識別電子標簽并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)［3］，是一種非接觸式批量自動識別標簽的技術(shù)，無須在識別對象與識別器之間建立機械或光學連接。

RFID技術(shù)可同時主動批量識別一定范圍內(nèi)正在移動的標簽，經(jīng)常應用于貴重物品的信息溯源、數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)定位等。與藍牙、超聲波、Wi-Fi等室內(nèi)定位技術(shù)相比，基于RFID的定位技術(shù)穩(wěn)定性更強，維修成本更低，而且具有更強大的信號抗干擾能力，能夠有效避免信息泄露現(xiàn)象發(fā)生。因此，本文將RFID用于實驗室設備管理以實現(xiàn)設備的定位、溯源等功能。

（二）RFID位置感知系統(tǒng)工作原理

RFID位置感知系統(tǒng)主要包括閱讀器、電子標簽、管理信息系統(tǒng)。電子標簽由收發(fā)天線、AC/DC電路、解調(diào)電路、邏輯控制電路、存儲器和調(diào)制電路構(gòu)成［4］，通過收發(fā)天線接收閱讀器的信號，并將要求的數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器，分為被動標簽與主動標簽。根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同，閱讀器可以是讀或讀寫裝置，它是RFID系統(tǒng)的信息控制和處理中心［5］。閱讀器通常由收發(fā)天線、頻率產(chǎn)生器、鎖相環(huán)、調(diào)制電路、微處理器、存儲器、解調(diào)電路和外設接口組成［6］，在一定的范圍內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場。系統(tǒng)工作時，當電子標簽進入電磁場識別范圍后，感應到閱讀器發(fā)出的射頻信號，被動標簽憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，標簽則主動發(fā)送某一頻率的信號［7］，閱讀器讀取標簽信息后進行解碼，并通過接口與計算機進行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理系統(tǒng)。

RFID標簽天線根據(jù)制造工藝、導線材質(zhì)、材料結(jié)構(gòu)的不同，可分成印刷天線、繞線天線、陶瓷天線等。本文的RFID技術(shù)用于實驗室設備，一般為金屬材質(zhì)，且需要進行遠距離識別，結(jié)合了陶瓷天線抗金屬、遠距離讀取、耐高溫等特性，因此采用超高頻RFID陶瓷標簽。閱讀器可分為手持式與固定式兩種，本文涉及兩種閱讀器，其中固定式安裝在實驗室門口，用于設備入庫、出庫的讀取，手持式用于進行定期盤點。

二、基于RFID位置感知技術(shù)的實驗室設備管理系統(tǒng)方案設計

基于RFID位置感知技術(shù)的實驗室設備管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。感知層主要由RFID標簽、天線、RFID閱讀器組成，通過RFID標簽感知到設備信息，即將標簽貼在設備上，在每個實驗室大門附近安裝固定的閱讀器，并根據(jù)實驗室的面積和RFID識讀覆蓋面積確定安裝個數(shù)；網(wǎng)絡層是將感知層獲取的信息通過應用傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，以保障感知層和應用層之間的數(shù)據(jù)通信；應用層分為用戶管理應用、在線盤點應用、入庫出庫應用和數(shù)據(jù)庫，其中應用屬于人機交換的界面，數(shù)據(jù)庫則用于存儲人員信息、設備信息及設備變更信息等。

基于RFID位置感知技術(shù)的實驗室設備管理系統(tǒng)根據(jù)功能模塊分為RFID通道門模塊、Web端實驗設備管理模塊和便攜式設備盤點模塊。RFID通道門模塊用于實驗室設備的進出管理，采用超高頻RFID射頻技術(shù)，以發(fā)揮RFID標簽快速和批量識別、防盜報警的作用；Web端實驗設備管理模塊用于平臺的用戶管理、設備出入庫管理，以及與通道門模塊和便攜式設備盤點模塊通信；便攜式設備盤點模塊旨在實現(xiàn)對實驗室內(nèi)設備的在線實時盤點。

在設備第一次入庫時，RFID標簽固定在對應的設備上，與通道門的閱讀器之間使用系統(tǒng)天線傳送特定頻率的電磁波。當貼有RFID標簽的設備進入對應實驗室時，標簽被激活并使用調(diào)制技術(shù)將標簽編號通過反射波回傳，RFID閱讀器通過天線接收到反射信息，將信息進行解調(diào)和解碼，得到標簽編號。因此，可獲取對應設備信息，啟動Web端實驗室管理模塊，后臺系統(tǒng)將設備信息和標簽寫入到該實驗室中，完成設備的入庫。設備出庫則應事先在Web端實驗設備管理模塊上申請，申請通過后設備搬出時，通道門可以識別設備搬出動作，完成設備的出庫；如未申請通過，設備直接搬出會觸發(fā)防盜報警。設備應定期通過便攜式設備盤點模塊進行盤點，操作者啟動便攜式設備盤點模塊，在可識別范圍內(nèi)設備經(jīng)過則自動完成設備盤點，并將盤點結(jié)果發(fā)送到Web端實驗設備管理模塊。三個模塊相互作用，以對設備定位和溯源。

Web端實驗設備管理模塊作為系統(tǒng)的主要部分，包括用戶管理應用、在線盤點應用、入庫出庫應用三個后臺應用，硬件部分包括標簽、天線、RFID閱讀器、計算機、交換機、服務器等設備。設備管理人員通過后臺可實現(xiàn)對實驗設備與標簽信息的綁定錄入，掌握實驗設備的狀態(tài)和具體的位置信息，防止出現(xiàn)設備丟失的情況。RFID標簽通過與RFID閱讀器之間的通信可以實現(xiàn)設備的定位。本文涉及的軟硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟硬件整體結(jié)構(gòu)

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

我們根據(jù)系統(tǒng)方案進行RFID通道門模塊、Web端實驗設備管理模塊、便攜式設備盤點模塊三個模塊的功能開發(fā)。

RFID通道門模塊的實現(xiàn)如圖3所示，可完成通道門的硬件啟動與停止，同時快速識別RFID標簽并將識別結(jié)果發(fā)送到設備管理模塊。

圖3 RFID通道門模塊

Web端實驗設備管理模塊的實現(xiàn)如圖4所示，可完成設備的出入庫、實驗室管理、設備管理、設備盤點等功能。

圖4 Web端實驗設備管理模塊

便攜式設備盤點模塊實現(xiàn)如圖5所示，可完成設備查看與設備盤點。

圖5 便攜式設備盤點模塊

實驗室設備管理是實驗教學中的重要環(huán)節(jié)。本文通過RFID位置感知技術(shù)實現(xiàn)了實驗設備的出入庫、盤點、定位等功能，加強了對實驗設備尤其是流動性較強的設備的管理，提高了設備管理的實時性、穩(wěn)定性、準確性，有利于實驗設備管理人員快速定位設備，掌握設備狀態(tài)，大大減少了實驗管理人員的人力成本。同時，有效防止了設備丟失的情況，節(jié)約了時間成本，對實驗室設備的智能化管理具有重大意義。