基于物聯(lián)網(wǎng)技術的高校實驗室資產(chǎn)管理系統(tǒng)設計

冀全朋，黃 羿

高校實驗室是高等學校進行實踐教學和科學研究的重要場所，同時也是培養(yǎng)大學生動手能力、提高技能運用和創(chuàng)新能力的重要基地.一所高校實驗室規(guī)模的大小、軟硬件配置參數(shù)的高低反映了這所高校的層次和科研水平［1］.實驗室資產(chǎn)管理的主要內(nèi)容是資產(chǎn)設備的運營，高校實驗室資產(chǎn)的主要特點是價高、量多和使用頻率大等，加之其他因素導致實驗設備的存放地點分散，在管理上有一定難度.另外，近年來高校不斷擴招，國家在高校實驗室的建設上投入了大量資金，各種實驗儀器設備成倍增長，也給實驗室資產(chǎn)的管理帶來了困難.

文獻［2］對RFID技術在實驗室資產(chǎn)管理系統(tǒng)中的應用進行探討，對實驗室資產(chǎn)中使用RFID技術的前景進行分析和展望，商榷在實驗室資產(chǎn)管理中遇到的一些關鍵問題和解決辦法等.文獻［3］以自行研制開發(fā)的嵌入式教學實踐系統(tǒng)為硬件上的基礎，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗室設備管理系統(tǒng).此系統(tǒng)在技術上僅僅利用了嵌入式，面向物聯(lián)網(wǎng)技術，而沒有把物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術運用到系統(tǒng)中.由此可見，如何在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中合理引入物聯(lián)網(wǎng)技術是關鍵問題.利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，不但數(shù)據(jù)安全、使用方便、管理簡單，而且有一定的實用性和前瞻性.

1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

1.2.1 RFID技術

射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)興起于20世紀90年代，是一種自動識別技術.它通過交變磁場和電磁場的空間耦合，運用射頻信號傳輸來實現(xiàn)對物體信息的采集.主要特點是:(1)采用無線方式雙向通信;(2)可以遠程讀取和大批量讀取;(3)當物體在調(diào)整運動狀態(tài)時可以準確識別;(4)防磁、防水和耐高溫，使用壽命長;(5)能夠大量存儲數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行更改等［7］.

射頻識別(RFID)主要的工作方式是無線射頻，如圖1所示.電子標簽和讀寫器的雙向數(shù)據(jù)通過天線進行傳輸.讀寫器和電子標簽的工作過程是:讀寫器采集到數(shù)據(jù)后，通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，讀寫器收到信號后進行調(diào)制和解碼，傳送到系統(tǒng)處理器中進行數(shù)據(jù)的邏輯運算和處理，并檢驗該電子標簽的合法性［8］.

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 傳感器技術

在信息學上，傳感器是檢測和轉(zhuǎn)換技術的總稱，它是提取信息后對信息進行處理、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)綉玫囊粋€過程.此技術也是計算機應用中的一項關鍵技術.到目前為止，絕大部分計算機的處理都是數(shù)字信號，這種技術通過借助一種傳感器，以物質(zhì)現(xiàn)象的溫度、濕度、速度和壓力的信息通過網(wǎng)絡進行集成和探測技術.傳感器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個基本單元組成，傳感器的組成如圖2所示.

圖2 傳感器的組成

1.2.3 ZigBee技術

ZigBee技術是一種雙向無線通訊技術，也稱為近距離無線組網(wǎng)技術.它的主要特點是低能耗、低復雜度、低成本.主要用于距離短、功耗低且傳輸速率低的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時 間 數(shù) 據(jù) 傳 輸 的 應 用［9］.ZigBee 采 用IEEE802.15.4標準，它定義了網(wǎng)絡安全層和應用層.該技術經(jīng)過多年的發(fā)展，相關技術體系已經(jīng)成熟.ZigBee的無線設備工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三個頻段上.其最大數(shù)據(jù)速率是250 kbit/s.ZigBee技術主要針對以電池為電源的應用，這些應用對低數(shù)據(jù)速率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的需求.在一些 ZigBee應用中，無線設備持續(xù)處于活動狀態(tài)的時間是有限的，大部分時間無線設備是處于省電模式(也稱休眠模式)的.ZigBee技術的工作原理如圖3所示.

2.跨境人民幣結(jié)算量占比分析?？缇迟Q(mào)易人民幣結(jié)算試點之初，廣西憑借毗鄰越南的地理優(yōu)勢，形成一個良好開端，2010年7月廣西與東盟國家跨境貿(mào)易中人民幣結(jié)算占比已實現(xiàn)30%左右，之后穩(wěn)步上升，占比維持在高位，2016年占比實現(xiàn)106.89%。

圖3 ZigBee技術工作原理

2 系統(tǒng)的設計

2.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)由無線射頻識別技術(RFID技術)和讀寫器兩大部分組成.用RFID標簽對實驗室資產(chǎn)進行標識，讀寫器通過ZigBee技術接收RFID標簽發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，再通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息上傳到軟件平臺的數(shù)據(jù)中心(實驗室資產(chǎn)管理系統(tǒng)).完成實驗室資產(chǎn)的日常管理和清理，實現(xiàn)對資產(chǎn)使用情況和生命周期的有效跟蹤.其中，RFID標簽發(fā)出的信息，包括資產(chǎn)設備的生產(chǎn)廠家、價格、型號、購買日期等數(shù)據(jù).一個讀寫器可以接收若干個標簽數(shù)據(jù)，兩者形成無線網(wǎng)格(即MESH)網(wǎng)絡，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要的第一層是感知層，運用RFID技術標識資產(chǎn)，采集資產(chǎn)的基本信息，如名稱、規(guī)格、型號等;第二層為傳輸層，由ZigBee網(wǎng)絡傳輸設備組成;媒介為有線或無線局域網(wǎng)，無線局域網(wǎng)采用ZigBee技術的無線通信原理，實現(xiàn)信息安全、可靠的傳輸;第三層是應用層，由管理系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫組成，采集到的重要數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫服務器中，資產(chǎn)管理系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行刪除、更改或增加，保證了數(shù)據(jù)的實時性和安全性.

2.2 軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)基于OSGI技術開發(fā).OSGI(Open Service Gateway Initiative)技術是面向Java的動態(tài)模型系統(tǒng)，向Java提供服務的是OSGI平臺，促使Java成為軟件集成和開發(fā)首選環(huán)境的平臺是OSGI技術.OSGI技術提供允許應用程序使用精煉和可協(xié)作的組件構(gòu)建的標準化原語，使這些組件能組裝進一個應用和部署中［10］.圖5為系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖.

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

整個軟件系統(tǒng)可分為4個模塊:數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)解碼轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲和處理模塊、應用層模塊.各模塊間可以通過其他設置形成數(shù)據(jù)的關聯(lián).

數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊主要負責接收讀寫器采集到的數(shù)據(jù)，通過設備上傳，或給讀寫器發(fā)送其他命令.

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是把接收到的數(shù)據(jù)進行解析.解析的過程要遵循數(shù)據(jù)包的協(xié)議，從而得到具體的資產(chǎn)信息;對下發(fā)的數(shù)據(jù)信息進行解碼，符合下行的數(shù)據(jù)要求后才可進行下一步的數(shù)據(jù)下發(fā).

數(shù)據(jù)處理和存儲模塊的主要功能是先把接收到的數(shù)據(jù)進行存儲;然后進行處理、糾正錯誤或修改冗余的數(shù)據(jù)等.

應用層模塊的功能主要有資產(chǎn)的添加/報廢、資產(chǎn)實時查詢、資產(chǎn)異常報警、標簽生成/修改等.

2.3 硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)采用RFID模式對實驗室資產(chǎn)進行編碼，高效而快捷地實現(xiàn)實驗室資產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和編碼，建立起基于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用模式感知層.對于比較貴重的實驗設備可以使用RFID有源標簽，比如物聯(lián)網(wǎng)工具箱中的貴重設備、移動筆記本或高價網(wǎng)絡測線儀等.對于一些價格偏低的實驗設備可以使用低價格無源標簽，可用移動手持型閱讀器進行讀寫.RFID閱讀器通過有線局域網(wǎng)或無線WIFI連接，一次可以將多個設備的RFID標簽信息完成讀取，不需要更復雜的人工干預.RFID的硬件設計模式如圖6所示.

圖6 RFID硬件設計

2.3.1 RFID標簽

標簽(Tag):由耦合元件及芯片組成，每個RFID標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象，俗稱電子標簽或智能標簽.

RFID電子標簽主要包含有源標簽、無源標簽、半有源和半無源標簽.RFID標簽包括天線和芯片，用戶數(shù)據(jù)區(qū)存儲著資產(chǎn)信息的相關數(shù)據(jù)，閱讀器負責寫入后，天線用于閱讀器和標簽之間傳遞無線射頻信號.

2.3.2 讀寫器

讀寫器即射頻標簽讀寫設備，是射頻識別系統(tǒng)的兩個重要組成部分(標簽與讀寫器)之一.射頻標簽讀寫設備根據(jù)具體實現(xiàn)功能也有一些其他較為流行的別稱，如:閱讀器(Reader)、查詢器(Interrogator)、通信器(Communicator)等.當需要讀取資產(chǎn)信息時，讀寫器通過射頻模塊向標簽發(fā)射需要讀取的信號，

2.3.3 網(wǎng)絡設備

網(wǎng)絡是RFID資產(chǎn)信息終端與資產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心平臺相互通信的橋梁.主要運用到有線局域網(wǎng)和無線WIFI兩種傳輸模式，在已有的局域網(wǎng)模式和無線WIFI模式下，即可實現(xiàn)RFID資產(chǎn)信息與數(shù)據(jù)中心平臺的有效通信，擴展為真正意義上的物聯(lián)網(wǎng).其整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

現(xiàn)目前使用較多的資產(chǎn)管理系統(tǒng)技術路線上主要有條碼技術、磁卡技術和RFID技術等，而條碼和磁卡的應用最為廣泛.其中，條碼與磁卡的弊端是容易磨損，怕水、怕油污、怕高溫等，使用壽命短;而RFID技術完全解決這方面的難題，使用方便，節(jié)省人力，可重復存儲，安全性高等.

在軟件架構(gòu)上采用OSGI技術.此技術的優(yōu)勢在于提供允許應用程序使用精煉和可協(xié)作的組件構(gòu)建的標準化原語，使這些組件能組裝進一個應用和部署中，保證了數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)傳輸速度快而且安全可靠.

對系統(tǒng)的效果測試時，RFID對實驗室資產(chǎn)進行掃描，若天線的掃描寬度為10 cm，讀取設備的標簽數(shù)為40個，測試的準確率為96.5﹪.測試過程中發(fā)現(xiàn)，在天線設定的掃描范圍內(nèi)進行掃描時，若標簽與RFID的側(cè)面快速通過，有極少量出現(xiàn)漏掃的可能.

4 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到高校實驗室資產(chǎn)的管理中，可實現(xiàn)對實驗室資產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的管理.文章首先對物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術進行了分析，提出了基于物聯(lián)技術的高校實驗室管理系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性，對系統(tǒng)的軟件和硬件給出了明確的設計方案，軟件設計上采用OSGI技術面向Java的動態(tài)模型系統(tǒng)，硬件主要采用RFID技術和局域網(wǎng)技術，通過系統(tǒng)應用實例闡明了該系統(tǒng)的優(yōu)勢和可行性.在實際應用中，電子標簽的成本、電子標簽與物聯(lián)網(wǎng)的相關標準和規(guī)范、通信協(xié)議和安全性等是該系統(tǒng)能夠推廣應用的關鍵因素.

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