基于RFID 的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)

梁艷，吳財源

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州，511400）

0 引言

近年來，隨著十四五規(guī)劃職業(yè)教育再次被重視起來，職業(yè)院校改革力度逐步增大，實訓(xùn)室建設(shè)日益增多，隨著而來的教師與學生對實訓(xùn)室管理的要求也越來越多，為了滿足這些需求，我們需要對實訓(xùn)室的管理模式進行新的探索與研究。經(jīng)借鑒物流倉庫等行業(yè)的管理模式，我們將物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)引入實訓(xùn)室管理系統(tǒng)，建設(shè)智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)，提高實訓(xùn)室管理效率，為廣大師生提供了智能的實訓(xùn)室服務(wù)。

1 高校實訓(xùn)室管理現(xiàn)狀

目前我院有實訓(xùn)室40 余間，現(xiàn)在我院的實訓(xùn)室采用傳統(tǒng)的管理模式，尚未采用信息化管理，目前實訓(xùn)室管理存在以下問題：

(1)管理員名下管理實訓(xùn)室繁多，維護過程中依賴人工統(tǒng)計，維護過程中易造成維護滯后，資源閑置等情況。(2)部分實訓(xùn)室使用頻率高，部分學生使用后未能正確復(fù)位，導(dǎo)致后面上課的師生無法找到相應(yīng)的實訓(xùn)模塊，影響實訓(xùn)授課。(3)實訓(xùn)室設(shè)備種類繁多，設(shè)備外借依然采用手工登記，缺乏規(guī)范化，流程化管理，已造成設(shè)備去向不明等問題。(4)實訓(xùn)室倉庫管理采用手工登記， 耗時耗力影響辦公效率。

針對目前實訓(xùn)室管理過程中存在的問題，本文提出新的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)，利用RFID 無線射頻識別技術(shù)，對實訓(xùn)室各模塊進行智慧管理，優(yōu)化管理流程，減輕實訓(xùn)室管理人員負擔。

2 RFID 技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification）是一種射頻識別技術(shù)，它主要通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信[1]。RFID 技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)相輔相成，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于數(shù)據(jù)的采集和身份的識別。RFID 技術(shù)已趨于成熟，在世界各地被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在RFID 技術(shù)廣泛應(yīng)用于物流領(lǐng)域，道路交通、零售行業(yè)，制造行業(yè)，圖書領(lǐng)域等各個行業(yè)，它已經(jīng)成為了人們生活中的一部分。

2.1 RFID 系統(tǒng)組成

RFID 系統(tǒng)一般由電子標簽、閱讀器、天線、應(yīng)用軟件系統(tǒng)4 部分組成[2]。

電子標簽又叫射頻識別標簽，里面包含電子芯片和天線，其中電子芯片用來存儲數(shù)據(jù)，天線用來發(fā)送數(shù)據(jù)。每個標簽有唯一的電子編碼，里面存儲著被識別物體的相關(guān)信息[2]。

閱讀器又稱讀寫器，它是應(yīng)用射頻技術(shù)讀寫電子標簽中的內(nèi)容。讀寫器首先發(fā)出一個信號詢問電子標簽，電子標簽收到信號后，做出應(yīng)答回應(yīng)一個信號，信號中攜帶電子標簽數(shù)據(jù)信息，讀寫器收到電子標簽反饋回來的信息便完成了一次標簽識別。

天線對RFID 系統(tǒng)十分重要，是決定RFID 系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件[2]。RFID 天線根據(jù)頻段范圍可以分為微波天線、高頻段天線和低頻段天線，在高頻段和低頻段常采用線圈形式的天線。天線位于電子標簽和讀寫器中，用來發(fā)送信息，是電子標簽和閱讀器溝通的載體。

應(yīng)用軟件通常是安裝在計算機上的軟件，是可視化的操作系統(tǒng)，通過可視化界面將RFID 系統(tǒng)呈現(xiàn)出來，并且可以對讀寫器發(fā)出指令，對讀寫器上傳的數(shù)據(jù)，進行邏輯判斷。

2.2 RFID 系統(tǒng)工作原理

RFID 系統(tǒng)利用無線射頻方式在讀寫器和電子標簽之間進行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)傳輸[3]，讀寫器通過天線發(fā)送一個射頻信號，當電子標簽進入讀寫器的工作區(qū)域時，產(chǎn)生感應(yīng)電流激活電子標簽，電子標簽接收讀寫器發(fā)送來的信息，進入等待狀態(tài)，根據(jù)碰撞算法等待響應(yīng)，通過天線發(fā)送包含自身信息調(diào)制后的射頻信號，讀寫器接收到電子標簽的載波，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調(diào)和解碼，然后將信號發(fā)送給上層應(yīng)用系統(tǒng)，完成一次讀寫。RFID 系統(tǒng)工作原理圖如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)原理圖

3 基于RFID 的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)

目前學院實訓(xùn)設(shè)備種類繁多，設(shè)備數(shù)量龐大。每個實訓(xùn)管理員名下有大量資產(chǎn)，且實訓(xùn)管理人員數(shù)量有限，倉庫管理由實訓(xùn)管理員兼職。而資產(chǎn)設(shè)備具有存放位置不集中，存放時間長，存放地點開放，設(shè)備易丟失等特點。為了改善目前這些情況，我們基于RFID 智慧實訓(xùn)管理系統(tǒng)主要從以下幾個方面來進行分析：

(1)倉庫資產(chǎn)盤點工作，智能化盤點，自動識別，減輕倉庫管理員負擔。(2)耗材領(lǐng)用申請與購買，網(wǎng)上實現(xiàn)耗材的領(lǐng)用與存量查詢功能。(3)資產(chǎn)流動實時監(jiān)控功能，實現(xiàn)資產(chǎn)移動實時報警，確保資產(chǎn)安全。(4)資產(chǎn)查詢與報廢跟蹤。

因此，基于RFID 的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)主要解決實訓(xùn)室的資產(chǎn)管理、倉庫管理和資產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護等問題，基于RFID 智慧實訓(xùn)管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，包括感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分[4]。

圖2 RFID 智慧實訓(xùn)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層主要是大量的非接觸式射頻識別設(shè)備組成。資產(chǎn)設(shè)備入庫后，將分得唯一的電子標簽，通過手持RFID 閱讀器或固定閱讀器實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的采集，然后感知層將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻通信系統(tǒng)傳送給網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層主要由學校局域網(wǎng)和無線網(wǎng)組成。主要功能是將感知層采集來的數(shù)據(jù)通過公共網(wǎng)絡(luò)傳輸至對應(yīng)服務(wù)器中。網(wǎng)絡(luò)層還接收應(yīng)用層下發(fā)的指令，利用服務(wù)器將接收到的指令下傳到感知層物理設(shè)備中，實現(xiàn)應(yīng)用層命令的下達。因此，網(wǎng)絡(luò)層在應(yīng)用層和感知層中間起傳輸連接作用。

應(yīng)用層主要由智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫組成，它將網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分析處理，做出判斷。其中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫主要是對感知層采集來的數(shù)據(jù)進行存儲；智慧實訓(xùn)管理系統(tǒng)是對資產(chǎn)、耗材的分析管理，包括資產(chǎn)的信息查詢，耗材的盤點統(tǒng)計等。

3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

基于RFID 的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)包括的硬件有資產(chǎn)設(shè)備，電子標簽，固定閱讀器，手持閱讀器，服務(wù)器，個人終端等設(shè)備。硬件系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 RFID 硬件系統(tǒng)

(1)服務(wù)器：是整個系統(tǒng)的核心，它實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，服務(wù)應(yīng)用等功能。

(2)固定RFID 閱讀器：能夠?qū)嵱?xùn)室設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和記錄，通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

(3)手持RFID 閱讀器：錄入具有電子標簽的設(shè)備信息，將設(shè)備信息存儲于手持機系統(tǒng)中，最后將手持系統(tǒng)中的信息通過USB 接口上傳至服務(wù)器中。

(4)電子標簽：每個設(shè)備上唯一的標識碼，包含設(shè)備的基本信息，粘貼在設(shè)備表面，能夠與閱讀器進行通信。電子標簽不易損壞，可以確保設(shè)備的可追溯性。

(5)個人終端：各部門管理人員所使用的計算機，通過計算機完成對資產(chǎn)的登記，采購需求，資產(chǎn)查詢，管理維護等問題。

該系統(tǒng)能對資產(chǎn)從購買到維護，轉(zhuǎn)出，報廢等過程進行跟蹤，能實現(xiàn)資產(chǎn)的智慧管理。購買的資產(chǎn)入庫后將分得唯一的電子標簽，所有資產(chǎn)貼上電子標簽后，用手持閱讀器對資產(chǎn)信息進入錄入，傳送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，便可對資產(chǎn)的基礎(chǔ)信息進行查詢，報廢跟蹤。資產(chǎn)清查盤點是資產(chǎn)管理中最重要的一個環(huán)節(jié)，每個學期學校便會組織一次資產(chǎn)盤點工作，確保資產(chǎn)準確無誤。通過手持RFID 設(shè)備，逐一掃描固定資產(chǎn)上的電子標簽，將掃描數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行對比，確認資產(chǎn)盤點無誤[6]。對于貴重資產(chǎn)則每個房間安裝固定閱讀器，通過RFID 閱讀器，對閱讀器覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備進行實時監(jiān)控，每隔固定周期就對設(shè)備信息進行掃描，當連續(xù)N個周期（N 為設(shè)定值）未掃描到設(shè)備，則發(fā)出報警信息至管理員端，方便管理員及時掌握資產(chǎn)動態(tài)，防止資產(chǎn)流失[5-6]。

3.2 系統(tǒng)的軟件組成

目前，常用的軟件架構(gòu)有客戶端/服務(wù)器（Client/Server，簡稱 C/S）模式和瀏覽器/服務(wù)器（Brower/Server，簡稱B/S）模式兩種方式［7］。

在客戶端/服務(wù)器模式下，服務(wù)器需要采用高性能的主機，在服務(wù)器中安裝數(shù)據(jù)庫，在客戶端開發(fā)客戶端應(yīng)用軟件，客戶端發(fā)出消息，服務(wù)器需要不斷響應(yīng)客戶端需求，要求服務(wù)器一直處于工作狀態(tài)[8]。這種軟件架構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，擴展性能好，便于升級。但同時這種架構(gòu)開發(fā)成本高，硬件環(huán)境不易部署，維護成本高。

瀏覽器/服務(wù)器模式是對客戶端/服務(wù)器模式的一種改良，在這種模式下，用戶只需要在客戶機上安裝瀏覽器，通過瀏覽器與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。這種架構(gòu)易部署，便于維護，不需要特定的硬件環(huán)境，降低了運營成本。

因此，本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器軟件架構(gòu)，在運用學校現(xiàn)有服務(wù)器的基礎(chǔ)上，開發(fā)智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)，降低開發(fā)成本，滿足實訓(xùn)室管理要求。基于RFID 智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)主要包括用戶數(shù)據(jù)管理模塊、資產(chǎn)管理模塊、倉庫管理模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊四個模塊。其功能模塊圖如圖4所示。

圖4 基于RFID 智慧實訓(xùn)管理系統(tǒng)功能模塊圖

3.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊用于用戶數(shù)據(jù)的管理，包括基本信息管理和用戶的權(quán) 限設(shè)置。用戶類型包括實訓(xùn)室管理員、倉庫管理員、資產(chǎn)管理員。資產(chǎn)管理員能對整個系統(tǒng)進行維護，包括用戶的添加與刪除，具有超級管理員權(quán)限。

3.2.2 資產(chǎn)管理模塊

資產(chǎn)管理模塊包括資產(chǎn)的入庫，新購買的資產(chǎn)可以在標簽數(shù)據(jù)中存入資產(chǎn)的簡單信息，如資產(chǎn)編碼、名稱、型號、價格、使用單位、存放地點，使用人等基本信息，通過手持閱讀器掃描標簽，便可將資產(chǎn)信息入庫。資產(chǎn)設(shè)備入庫后可以在數(shù)據(jù)庫中看見資產(chǎn)的數(shù)據(jù)信息，當設(shè)備長期不移動時，只需要每學期對設(shè)備進行清點、盤算，此時只需手持閱讀器掃描該房間內(nèi)的資產(chǎn)標簽與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行核對即可。

在資產(chǎn)管理模塊中還需要對資產(chǎn)進行借出，轉(zhuǎn)出等操作，傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理模式對資產(chǎn)轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)更新較慢，該資產(chǎn)管理系統(tǒng)通過實時監(jiān)控資產(chǎn)設(shè)備，采用教室內(nèi)的固定讀寫器定時掃描室內(nèi)資產(chǎn)，對數(shù)據(jù)庫中資產(chǎn)信息進行刷新，當連續(xù)N 周期（N 為設(shè)定值）未掃描到資產(chǎn)就觸發(fā)報警信息，對應(yīng)的實訓(xùn)管理員就能收到該設(shè)備異常的報警通知，方便管理員實時查看，防止資產(chǎn)被盜。

在資產(chǎn)管理模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中還預(yù)留了資產(chǎn)維修記錄登記字段，每次設(shè)備維護后可以通過掃描標簽，錄入設(shè)備維護記錄。設(shè)備維護記錄是設(shè)備報廢、設(shè)備購置的依據(jù)之一。

3.2.3 倉庫管理模塊

倉庫管理模塊主要包括資產(chǎn)登記、資產(chǎn)盤點和資產(chǎn)申購三部分內(nèi)容。物資通過唯一的電子標簽，進行入庫操作；根據(jù)師生掃描庫存存量，設(shè)定極限值，當庫存存量少于極限值時報警提示應(yīng)新增購買；倉庫管理模塊也提供查詢和預(yù)定功能，科任老師可以通過查詢功能查看該元器件的庫存量，并預(yù)定數(shù)量，待預(yù)訂成功后直接去管理員處領(lǐng)用耗材，實現(xiàn)智慧化管理，減輕實訓(xùn)管理員負擔。倉庫管理模塊如圖5 所示。

圖5 倉庫管理模塊

3.2.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊可以對所有資產(chǎn)進行查詢管理。根據(jù)角色不同數(shù)據(jù)管理模塊的具體功能不同，實訓(xùn)管理員可以查詢自己權(quán)限下的資產(chǎn)信息，而資產(chǎn)管理員除了可以對資產(chǎn)數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計外，還可以對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行修改，不同實訓(xùn)管理員之間進行調(diào)撥。資產(chǎn)查詢?nèi)鐖D6 所示。

圖6 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

4 結(jié)語

本文應(yīng)用RFID 技術(shù)于實訓(xùn)室管理系統(tǒng)中，利用現(xiàn)有的服務(wù)器資源構(gòu)建了一套基于RFID 的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)，管理人員通過可視化界面對實訓(xùn)室的資產(chǎn)和倉庫耗材的智能化管理，滿足了學院資產(chǎn)管理要求，為實訓(xùn)管理和任課教師提供了便利。該系統(tǒng)的資產(chǎn)管理模塊對貴重設(shè)備防盜提供了新的解決方案，減輕了實訓(xùn)室管理員的負擔。