基于RFID技術(shù)的智慧實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)研究

柳廣鵬，張 晗，趙衍恒

（國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

關(guān)鍵字：實(shí)訓(xùn)室；設(shè)備管理；RFID；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)（Intelligent Laboratory Management System，簡稱ILMS）主要基于信息化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)室的自動(dòng)化管理[1]。目前針對實(shí)訓(xùn)室設(shè)備和耗材的管理普遍采用人工統(tǒng)計(jì)的方式將相關(guān)信息錄入存檔。隨著實(shí)訓(xùn)室數(shù)量及其設(shè)備種類的增多，人工統(tǒng)計(jì)的方式已經(jīng)無法滿足管理需求。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用信息管理系統(tǒng)可提高設(shè)備管理效率[2-3]，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備管理系統(tǒng)中，通過使用信息感知技術(shù)及協(xié)議實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能。本文基于RFID技術(shù)開發(fā)了一套智慧實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)訓(xùn)室管理人員借助ILMS可以對實(shí)訓(xùn)室設(shè)備進(jìn)行便捷、高效的運(yùn)維管理。

1 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)是基于物聯(lián)網(wǎng)感知層提出的一種無接觸式的傳感器技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)相輔相成，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與身份確認(rèn)、交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)管理、物流配送等場景中。RFID技術(shù)既能進(jìn)行物品識別，也可以實(shí)現(xiàn)感測傳遞、運(yùn)算分析等功能。RFID以芯片為載體存儲(chǔ)信息，在物品識別中的主要優(yōu)勢：讀取方便、識別速度快，可擴(kuò)展性、穿透性強(qiáng)，體積小、不易受尺寸和形狀的限制，使用壽命長，部署成本低。

1.1 RFID系統(tǒng)組成部分

RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、閱讀器、天線、應(yīng)用軟件系統(tǒng)4部分組成[4]。

1）電子標(biāo)簽（Tag）是RFID系統(tǒng)的重要組件，粘貼在被識別的物體上，存儲(chǔ)與物體有關(guān)的唯一性信息。電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片組成，標(biāo)簽芯片是具有信號收發(fā)功能和存儲(chǔ)功能的系統(tǒng)級芯片（System on Chip，簡稱SOC），芯片中存儲(chǔ)著特定格式的編碼數(shù)據(jù)[5]。

2）閱讀器（Reader）是RFID系統(tǒng)處理和信息控制中心，能夠以非接觸的方式讀取電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。閱讀器與電子標(biāo)簽之間利用特定的通信協(xié)議進(jìn)行信息傳遞。在開機(jī)狀態(tài)下，讀寫器會(huì)向四周發(fā)射無線電波，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入其讀取范圍時(shí)，標(biāo)簽利用無線電波產(chǎn)生感應(yīng)電流，閱讀器可接收標(biāo)簽產(chǎn)生的信息。

3）天線（Antenna）是閱讀器和電子標(biāo)簽之間雙向傳遞射頻信息的載體。通過發(fā)射無線電信號為電子標(biāo)簽提供電能，同時(shí)也接收電子標(biāo)簽上發(fā)出的信息。每個(gè)電子標(biāo)簽中設(shè)計(jì)了微型天線，用于和閱讀器進(jìn)行信息傳遞。

4）應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括讀寫器讀寫程序、管理軟件、后臺數(shù)據(jù)庫。用戶可通過可視化界面對電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，運(yùn)用后臺數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

1.2 RFID系統(tǒng)工作原理

在RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽與閱讀器間通過特定頻率的射頻信號以非接觸的方式進(jìn)行信息的傳輸、解調(diào)、解碼和存儲(chǔ)。由應(yīng)用軟件系統(tǒng)根據(jù)信息內(nèi)容做出相應(yīng)的處理和控制，并發(fā)出指令信號。RFID系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID技術(shù)具有遠(yuǎn)距離自動(dòng)識別的特性，讀取距離從十幾厘米到幾米，其信號有效范圍能夠輻射到整個(gè)實(shí)訓(xùn)室，可以在有障礙物的情況下實(shí)現(xiàn)近距離讀取。因此，利用RFID技術(shù)，通過閱讀設(shè)備獲取電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的信息，可以對實(shí)訓(xùn)室設(shè)備、材料等物品狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)讀取，從而獲取多個(gè)設(shè)備的最新狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確化、智慧化和一體化管理。通過使用多種類型的終端，可以掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)狀況，大大提高設(shè)備管理效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 RFID標(biāo)簽的選擇

RFID標(biāo)簽按照工作頻率不同可以分為低頻標(biāo)簽、高頻標(biāo)簽、超高頻標(biāo)簽和微波頻段標(biāo)簽4種類型。低頻標(biāo)簽技術(shù)成熟，具有采購成本低、傳輸距離長的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是通信速度慢；超高頻/微波頻段標(biāo)簽具有抗噪能力強(qiáng)、體積小、傳輸速率快的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是耗電量大、硬件采購成本高；高頻標(biāo)簽具有無沖撞地并發(fā)實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)膬?yōu)勢，通過使用ISO14443A/B或Felica協(xié)議，允許信息自定義寫入標(biāo)簽。綜合考慮實(shí)訓(xùn)室的布局、易用性、系統(tǒng)成本等因素，選擇使用高頻標(biāo)簽。

實(shí)訓(xùn)室設(shè)備按照“集中存放，統(tǒng)一保管”的原則進(jìn)行管理。標(biāo)簽需要被粘貼到實(shí)訓(xùn)設(shè)備表面，為了方便閱讀器能夠快速穩(wěn)定地獲取標(biāo)簽信息，應(yīng)選擇易于被折且具有全向或者半球輻射性能的標(biāo)簽。在標(biāo)簽中為設(shè)備設(shè)置時(shí)間戳，并根據(jù)設(shè)備使用和折舊情況管理固定資產(chǎn)。

2.2 RFID閱讀器的選擇

RFID閱讀器可以通過不間斷發(fā)送無線射頻信號，以非接觸的方式識別并讀取標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息。閱讀器由射頻接口單元和邏輯控制單元兩大模塊構(gòu)成。射頻接口單元主要發(fā)送、接收及調(diào)制射頻信號；邏輯控制單元主要完成信號的編解碼、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理以及與主機(jī)之間的通信。

RFID閱讀器主要有固定式和手持式兩種。固定式閱讀器采用外置式天線，體積較大，不便于直接攜帶，但信號收發(fā)能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的標(biāo)簽識別及標(biāo)簽信息改寫；手持式閱讀器采用隱藏式天線，體積小巧，便于攜帶，但天線靈敏度較弱，只能用來進(jìn)行近距離的標(biāo)簽識別。

RFID閱讀器與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞的方式包括有線傳遞和無線傳遞兩種。有線傳遞主要通過RS458或RS232接口完成，無線傳遞主要通過Bluetooth或Wlan方式完成。

根據(jù)實(shí)訓(xùn)室管理需要，手持式和固定式兩種閱讀器配合使用，并采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 應(yīng)用軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)室管理軟件系統(tǒng)記錄設(shè)備及耗材使用的全部流程，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)更新與共享。應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)遵循實(shí)用性、安全性、容錯(cuò)性、可靠性和可擴(kuò)展性的原則。

2.3.1 軟件系統(tǒng)部署方式

目前，常用的軟件架構(gòu)有客戶端/服務(wù)器（Client/Server，簡稱C/S）和瀏覽器/服務(wù)器（Brower/Server，簡稱B/S）兩種方式[6]。

C/S方式下，服務(wù)器通常采用高性能的主機(jī)，安裝Oracle、Sybase、Informix和SQL Server等數(shù)據(jù)庫，需要開發(fā)專用客戶端軟件并部署在客戶端。C/S方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，支持分布式、并發(fā)環(huán)境，能夠有效提高資源的利用率和共享程度，便于服務(wù)器集中管理資源，有利于權(quán)限控制和系統(tǒng)安全，可擴(kuò)展性較好，可單獨(dú)對客戶端或服務(wù)器進(jìn)行升級。但是，C/S方式也存在一定局限性，例如不易部署、維護(hù)困難等。

B/S方式下，客戶機(jī)只需安裝一個(gè)瀏覽器，如Google Chrome或Internet Explorer，服務(wù)器安裝Oracle、Sybase、Informix和SQL Server等數(shù)據(jù)庫。瀏覽器通過Web Server與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。B/S方式的優(yōu)點(diǎn)是分布式，易擴(kuò)展、共享性強(qiáng)。與C/S方式相比，B/S方式更易部署，便于維護(hù)，響應(yīng)速度快，不需要設(shè)計(jì)特定的硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

B/S方式能夠滿足實(shí)訓(xùn)室設(shè)備及耗材管理的要求，便于后續(xù)功能開發(fā)和系統(tǒng)升級。因此，結(jié)合實(shí)訓(xùn)室管理需求，本研究采用B/S方式構(gòu)建基于RFID技術(shù)的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向設(shè)備管理人員與教師，利用學(xué)?，F(xiàn)有的服務(wù)器設(shè)備及校園通信網(wǎng)絡(luò)，可以降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

2.3.2 軟件系統(tǒng)帳號權(quán)限設(shè)定

在軟件系統(tǒng)中，不同管理角色具有不同的權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)使用過程中各類管理人員的操作需求，設(shè)置超級管理員、主管領(lǐng)導(dǎo)、倉庫管理員和實(shí)訓(xùn)室管理員4種不同類型的賬戶。

1）超級管理員具有系統(tǒng)級的操作權(quán)限，對不同權(quán)限的用戶進(jìn)行管理，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)管理操作。

2）主管領(lǐng)導(dǎo)對用戶提出的申請進(jìn)行審核、審批操作。

3）倉庫管理員對設(shè)備及耗材的入庫、分發(fā)、盤點(diǎn)等進(jìn)行管理操作。

4）實(shí)訓(xùn)室管理員對設(shè)備的維修、報(bào)廢、折舊、盤點(diǎn)以及耗材的領(lǐng)用等進(jìn)行管理操作。

2.3.3 軟件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)訓(xùn)室的實(shí)際管理需求，本研究主要設(shè)計(jì)了5個(gè)功能模塊，分別為用戶管理、采購管理、庫存管理、設(shè)備管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)功能模塊如圖2所示，用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶基本信息維護(hù)和角色管理，根據(jù)不同的用戶角色分配相應(yīng)管理權(quán)限；采購管理模塊實(shí)現(xiàn)采購計(jì)劃申請、主管領(lǐng)導(dǎo)審批，并在審核通過后對申請進(jìn)行匯總；庫存管理模塊實(shí)現(xiàn)物資、耗材的入庫、出庫、回收、報(bào)廢、盤點(diǎn)管理，隨時(shí)更新倉庫信息；設(shè)備管理模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息維護(hù)、折舊管理；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商、生產(chǎn)廠家、科室名稱、設(shè)備安全責(zé)任人等信息的維護(hù)。

圖2 基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于RFID的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)依照物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)分為3層，自下向上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.1 感知層

感知層設(shè)備是RFID設(shè)備管理系統(tǒng)的核心，也是信息采集的關(guān)鍵部分，由電子標(biāo)簽、讀寫器等系統(tǒng)組成，主要功能是識別物體、采集信息。

3.1.1 電子標(biāo)簽

采用EPC（Electronic Product Code，簡稱EPC）編碼方式對設(shè)備上粘貼的電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。EPC編碼原則主要有：

1）每個(gè)編碼能夠唯一標(biāo)識一個(gè)標(biāo)簽。

2）編碼一旦被分配后不允許再次更改。

3）編碼方式簡單且易于實(shí)現(xiàn)。

4）留有足夠空間用于編碼擴(kuò)展。

3.1.2 讀寫器系統(tǒng)

讀寫器系統(tǒng)位于應(yīng)用系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件之間，使用系統(tǒng)軟件所提供的基礎(chǔ)服務(wù)功能，從感知層獲取數(shù)據(jù)，包括電子標(biāo)簽讀寫器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩個(gè)部分。其中，電子標(biāo)簽讀寫器能夠讀取標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息，將采集到的信息按照特有格式轉(zhuǎn)換并進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器能夠?qū)﹄娮訕?biāo)簽讀寫器傳輸過來的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、比對。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

讀寫模塊可以通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng)。使用實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用無線和有線相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

3.3 應(yīng)用層

3.3.1 應(yīng)用軟件系統(tǒng)

應(yīng)用軟件系統(tǒng)基于RFID技術(shù)，通過閱讀電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速盤點(diǎn)、自動(dòng)借還功能；根據(jù)設(shè)備的不同類型，設(shè)置相應(yīng)的折舊方法，統(tǒng)計(jì)設(shè)備折舊情況，便于設(shè)備報(bào)廢及更新。此外，系統(tǒng)增加了與之配套的管理系統(tǒng)界面，各個(gè)功能模塊的界面設(shè)計(jì)保持一致的風(fēng)格，操作簡單便捷。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，例如設(shè)備編號、名稱、廠商、采購日期、存放地點(diǎn)等，根據(jù)系統(tǒng)功能需要，設(shè)置8張數(shù)據(jù)表用于信息存儲(chǔ)，包括設(shè)備信息表、設(shè)備借用信息表、設(shè)備歸還信息表、設(shè)備維修記錄表、設(shè)備報(bào)廢記錄表、用戶信息表、管理員信息表和實(shí)訓(xùn)室信息表。

1）設(shè)備信息表存儲(chǔ)設(shè)備的基本信息，包括設(shè)備編號、設(shè)備電子標(biāo)簽編號、設(shè)備名稱、生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期、價(jià)格、所在實(shí)驗(yàn)室、讀寫器編號、入庫登記人、入庫日期、是否在庫、是否在用、是否報(bào)廢、是否維修、被借次數(shù)等。

2）設(shè)備借用信息表記錄用戶借用設(shè)備的相關(guān)信息，包括借用編號、用戶編號、設(shè)備編號、借用時(shí)間、應(yīng)該歸還時(shí)間、借用操作員等。

3）設(shè)備歸還信息表記錄用戶歸還設(shè)備的相關(guān)信息，包括歸還編號、用戶編號、設(shè)備編號、借用時(shí)間、歸還時(shí)間、歸還操作員等。

4）設(shè)備維修記錄表記錄設(shè)備維修的相關(guān)信息，包括維修記錄編號、設(shè)備編號、所在實(shí)驗(yàn)室、維修登記人、維修日期、維修原因等。

5）設(shè)備報(bào)廢記錄表記錄設(shè)備報(bào)廢情況，包括報(bào)廢記錄編號、設(shè)備編號、所在實(shí)驗(yàn)室、報(bào)廢登記人、報(bào)廢日期、報(bào)廢原因等。

6）用戶信息表記錄系統(tǒng)普通用戶的詳細(xì)信息，包括用戶編號、用戶名稱、用戶密碼、用戶昵稱、用戶郵箱、用戶類別、借用次數(shù)等。

7）管理員信息表記錄各實(shí)訓(xùn)室管理員的詳細(xì)信息，包括管理員編號、管理員名稱、管理員密碼、所屬實(shí)訓(xùn)室、管理員權(quán)限等。

8）實(shí)訓(xùn)室信息表記錄實(shí)訓(xùn)室的基本信息，包括實(shí)訓(xùn)室編號、實(shí)訓(xùn)室管理員、實(shí)訓(xùn)室名稱、實(shí)訓(xùn)室地點(diǎn)、實(shí)訓(xùn)室開放時(shí)間等。

4 結(jié)語

為了滿足培訓(xùn)教學(xué)及科研需求，提高實(shí)訓(xùn)室管理水平，本研究利用RFID技術(shù)，構(gòu)建了一套普適、高效的實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。管理人員通過可視化界面可實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)室設(shè)備和耗材的精準(zhǔn)高效管理。在后續(xù)的研究中，可以引入Z-Wave技術(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等環(huán)境信息；采用更為成熟的軟件開發(fā)工具及框架，完善各部分流程、功能模塊、數(shù)據(jù)庫等，增加即時(shí)打印功能，以進(jìn)一步提升實(shí)訓(xùn)室管理水平。