基于UHF RFID技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理方案

黃振江

摘 要：傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理主要是以手工的方式人工地去統(tǒng)計(jì)和管理，這樣的管理方式效率低下且不合乎現(xiàn)代管理思想?，F(xiàn)代化高效率的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方案應(yīng)該將設(shè)備被主動(dòng)式識(shí)別、位置識(shí)別和資產(chǎn)狀態(tài)維護(hù)與識(shí)別集成在一起。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，引入高頻RFID（UHF RFID）技術(shù)和使用高頻天線陣列，通過有源高頻天線陣列實(shí)時(shí)讀取實(shí)驗(yàn)室房間范圍內(nèi)UHF RFID標(biāo)簽，并通過標(biāo)簽返回RSSI信號(hào)的強(qiáng)弱來評(píng)估資產(chǎn)當(dāng)前位置。最后，將讀取到的標(biāo)簽信息實(shí)時(shí)經(jīng)無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器端完成后端的監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。該設(shè)計(jì)方案可以提高管理的效率和降低部署成本，同時(shí)可以擴(kuò)展到倉儲(chǔ)管理、智能物流、資產(chǎn)管理和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：UHF RFID;實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理;高頻天線陣列;高效率

中圖分類號(hào)：G647.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1673-291X（2019）12-0192-02

一、各高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理操作包括從設(shè)備的申購、購買、倉儲(chǔ)、使用、維護(hù)、盤查到報(bào)廢整個(gè)資產(chǎn)的生命周期。目前各高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的現(xiàn)狀是：實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器和相關(guān)資料的使用頻率高部分流動(dòng)性大，并且總體數(shù)量、分布情況、儀器狀態(tài)等基礎(chǔ)信息數(shù)量龐大，通過常規(guī)的方法和人工的手段去盤查和登記，這樣原始的管理方法需要大量的人力和財(cái)力去盤查、登記和檢驗(yàn)設(shè)備的完好率。由于近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和射頻識(shí)別RFID技術(shù)的不斷發(fā)展，在倉儲(chǔ)、物流和其他行業(yè)管理中正在引起一場(chǎng)管理技術(shù)性的革命。RFID具有非接觸式識(shí)別、識(shí)別效率高、不易丟失、信息存儲(chǔ)豐富和安全性高等特點(diǎn)。UHF（超高頻）RFID除了具有RFID以上特點(diǎn)外，同時(shí)還具有識(shí)別距離長(zhǎng)、精度更高、速度更快和同時(shí)讀寫多個(gè)標(biāo)簽等特性，是RFID的未來發(fā)展趨勢(shì)。本文提出一種基于UHF RFID的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的優(yōu)化管理和配置、管理流程的制度化以及數(shù)據(jù)管理實(shí)時(shí)性的信息化，避免了設(shè)備的閑置浪費(fèi)，簡(jiǎn)化了管理操作流程，提高了管理的效率。本方案中使用UHF RFID標(biāo)簽和超高頻天線陣列，使標(biāo)簽識(shí)別的有效讀取距離保證在15米以上，基本覆蓋絕大部分的實(shí)驗(yàn)室空間范圍。

二、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方案概述

1.設(shè)備管理操作流程。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室需要設(shè)備時(shí)，從申請(qǐng)、購買到入庫時(shí)會(huì)為每個(gè)設(shè)備資產(chǎn)打印一個(gè)UHF RFID標(biāo)簽，并且會(huì)賦予該設(shè)備資產(chǎn)一個(gè)唯一的資產(chǎn)編號(hào)，同時(shí)將該資產(chǎn)編號(hào)與打印的UHF RFID標(biāo)簽物理地址相匹配。RFID讀寫器會(huì)將該設(shè)備資產(chǎn)的設(shè)備編碼、入庫時(shí)間、校驗(yàn)時(shí)間、倉儲(chǔ)地址和當(dāng)前狀態(tài)等等重要信息寫入U(xiǎn)HF RFID標(biāo)簽中。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)通過超高頻天線陣列讀取輻射磁場(chǎng)當(dāng)中的所有標(biāo)簽信息，在通過有線或無線傳輸?shù)浇K端服務(wù)器，管理人員可以在終端對(duì)讀取的信息進(jìn)行管理和統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)所有設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2.方案功能結(jié)構(gòu)。為了能高效科學(xué)的管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，本方案設(shè)計(jì)了一些用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的功能模塊，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)9個(gè)管理功能模塊：數(shù)據(jù)庫操作、標(biāo)簽處理、手持設(shè)備讀寫、天線陣列讀寫、設(shè)備進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室管理、統(tǒng)計(jì)分析管理、設(shè)備狀態(tài)管理、設(shè)備位置管理和設(shè)備其他數(shù)據(jù)管理，這些功能共享一個(gè)包括管理角色、標(biāo)簽信息、設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)室名稱和管理員信息等全部信息的數(shù)據(jù)庫?？茖W(xué)的管理方法可以減少人為的錯(cuò)誤，提高管理的效率和方便獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。當(dāng)需要統(tǒng)計(jì)、分析或查詢特定條件下的設(shè)備信息時(shí)，只需要在客戶端輸入需查詢統(tǒng)計(jì)的條件，系統(tǒng)將自動(dòng)完成統(tǒng)計(jì)查詢工作。

3.方案硬件架構(gòu)。該方案主要由安裝在各實(shí)驗(yàn)室的固定高頻天線陣列、手持RFID閱讀器、移動(dòng)RFID讀寫器和后端服務(wù)器平臺(tái)組成。天線陣列主要是由多個(gè)高頻閱讀天線組成，根據(jù)每間實(shí)驗(yàn)室的具體情況去優(yōu)化安裝位置達(dá)到對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的磁場(chǎng)覆蓋。手持閱讀器主要由UHF RFID模塊、天線、主控模塊、LCD顯示模塊、輸入模塊、通信模塊、功能指令模塊和JTAG模塊等構(gòu)成，負(fù)責(zé)讀取移動(dòng)特定設(shè)備資產(chǎn)。移動(dòng)RFID讀寫器主要是由RFID燒寫模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等構(gòu)成，主要對(duì)新的UHF RFID標(biāo)簽進(jìn)行信息的寫入和修改。

4.數(shù)據(jù)庫支撐。我們采用SQL Server2000數(shù)據(jù)庫作為終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理方案的設(shè)備入庫、倉儲(chǔ)模塊、報(bào)表模塊、設(shè)備查詢模塊和訪問控制等功能模塊。由于RFID標(biāo)簽編碼的一些基礎(chǔ)屬性、存儲(chǔ)空間有限且需要保證較快的讀寫速度，RFID標(biāo)簽中只存儲(chǔ)有限的設(shè)備主要信息。為了便于系統(tǒng)的操作和管理，我們定義了RFID標(biāo)簽的16位編碼規(guī)則：0—3位標(biāo)識(shí)設(shè)備的名稱ID、4—6位標(biāo)識(shí)設(shè)備的歸屬信息、7—9位標(biāo)識(shí)設(shè)備的負(fù)責(zé)管理員信息和10—15位標(biāo)識(shí)設(shè)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，我們還建立了一些數(shù)據(jù)庫表，包括設(shè)備信息表、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表和管理員數(shù)據(jù)表等等，通過主鍵創(chuàng)建各表之間的數(shù)據(jù)庫鏈接。

5.方案的部署。我們用兩間微機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為該方案試點(diǎn)的部署實(shí)驗(yàn)，首先，UHF RFID標(biāo)簽放置。我們將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有桌子的右上角桌面上貼上標(biāo)簽，在所有臺(tái)式電腦的顯示屏后面貼上標(biāo)簽。其次，超高頻天線安裝。我們?cè)诘谝婚g實(shí)驗(yàn)室的前面和后面的墻上距離地面2米高的正中心各安裝一個(gè)超高頻天線，在另一間實(shí)驗(yàn)室左邊墻距離地面同樣2米高的地方安裝并排安裝兩個(gè)超高頻天線，并且這兩個(gè)天線一個(gè)向教室前方另一個(gè)向教室后方保持30度左右的傾斜。最后，網(wǎng)絡(luò)部署。我們分別部署有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)將兩間實(shí)驗(yàn)室鏈接到同一個(gè)后臺(tái)終端服務(wù)器。通過部署對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室不同的天線安裝方法中去測(cè)試各個(gè)方位標(biāo)簽的讀取RSSI值，通過RSSI值得大小判斷天線磁場(chǎng)覆蓋范圍和讀取標(biāo)簽情況，經(jīng)過多次測(cè)試和調(diào)整天線安裝位置，尋找出一種實(shí)驗(yàn)室高效且節(jié)約成本的天線安裝方案。

6.方案的測(cè)試。方案的測(cè)試主要主要分為三個(gè)部分：RFID功能測(cè)試、管理功能測(cè)試和超高頻天線磁場(chǎng)覆蓋測(cè)試。一是RFID功能測(cè)試。主要測(cè)試RFID命令的可執(zhí)行性和執(zhí)行時(shí)間，包括讀寫器的狀態(tài)查詢、讀寫器的電源設(shè)置和獲取、標(biāo)簽的識(shí)別、標(biāo)簽EPC獲取、標(biāo)簽RSSI獲取、標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫、標(biāo)簽的鎖定和解鎖、防碰撞識(shí)別性能測(cè)試和穩(wěn)定性識(shí)別等。二是管理功能測(cè)試。主要是客戶端GUI的可操作性和功能模塊的性能測(cè)試，包括設(shè)備識(shí)別、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)庫更新、系統(tǒng)配置、設(shè)備管理，以及一些系統(tǒng)的可集成性和可擴(kuò)展性。三是超高頻天線磁場(chǎng)覆蓋測(cè)試。主要通過在實(shí)驗(yàn)室邊緣極限地帶放置測(cè)試RFID標(biāo)簽，測(cè)試極限情況下天線陣列讀取標(biāo)簽情況和RSSI強(qiáng)度，通過測(cè)試結(jié)果來安排多個(gè)天線安裝放置的最佳位置。

三、結(jié)語

本文主要完成了基于UHF RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方案的理論研究、整體框架和主要功能的設(shè)計(jì)。該方案的設(shè)計(jì)是總結(jié)以往實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理統(tǒng)計(jì)中的一些不足，運(yùn)用現(xiàn)代化電子信息技術(shù)去實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的科學(xué)高效管理。這是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理由人工密集型向信息智能化的轉(zhuǎn)變，是管理運(yùn)行模式由粗放型向集約型的轉(zhuǎn)變，大大提高了高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率，也提高了設(shè)備的使用率。該方案具有成本低、功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)、易于操作和易于遷移等特性，這一整套方案不僅適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理，而且同時(shí)還能推廣到企業(yè)倉儲(chǔ)管理、智能物流、資產(chǎn)管理、圖書館智能流通管理、公共場(chǎng)所安全設(shè)施管理和物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? Li Hai-lin，Luo Chang-yuan and Wang Ya-di，“Design of Equipment Management Information System Based on RFID”，Wireless Communications，Networking and Mobile Computing.WiCOM2008.4th International Conference，2008.

[2]? Xuan Gu，Dong Wang and Huanye Sheng，“RFID-based Locating Management”，22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications，IEEE Computer Society，2008.

[3]? 劉紹榮，張麗娟，杜也力.高頻和超高頻RFID在圖書館中的應(yīng)用比較[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（3）.

[4]? 賈秀麗.基于超高頻RFID的便攜式倉儲(chǔ)管理終端系統(tǒng)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，（3）.

[5]? 黃凱，張然，卑璐璐.一種緊湊型寬頻帶圓極化射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2015，（5）.

[6]? 石紅姣.基于RFID的智慧圖書館借閱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2018，（5）.