基于RFID 技術的實驗室開放管理研究

劉碩，宋毅

（大連醫(yī)科大學中山學院，遼寧大連，116085）

0 引言

實驗教學是提升學生應用能力的主渠道，是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，而實驗室作為培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識的前沿陣地，是各項成果產(chǎn)出的基礎。開放實驗室可以提升設備的利用率，促進資源的進一步共享，可以讓學生不受上課時間的限制，自主安排實驗內容，主動學習，對于提升學生的獨立思考能力、應用能力及創(chuàng)新能力都有很大的裨益。

但受困于實際的管理困難，實施實驗室開放并不容易，以筆者工作的高校為例，共有實驗室123 個，開放導致的各類管理問題層出不窮，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是設備管理難度大，不同實驗室的設備類型各不相同，很多設備體積小且放置分散，易丟失；二是管理人員不足，面對著人員登記、設備盤點、設備維護等各類工作，壓力繁重。

如何解決上述管理問題，實現(xiàn)設備的監(jiān)控與快速盤點，減輕實驗室管理人員的工作量，是實驗室開放工作亟待解決的問題，經(jīng)調研，RFID 技術是較為成熟的自動識別技術，可進行非接觸式的信息收集，完成對設備的精準管理，適用于門禁、資產(chǎn)及圖書管理等各類高校應用場景[1]。本文對RFID 技術在實驗室開放管理中的運用進行論述。

1 RFID 技術簡介

作為物聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分，RFID 有著廣泛的應用。RFID 系統(tǒng)由標簽、天線及閱讀器等設備組成，能夠以無線射頻方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與自動識別，且RFID 的識別通信無需接觸。RFID 閱讀器及天線會產(chǎn)生無線電波，形成一定有效范圍的電磁場，RFID 標簽在輻射范圍內時，會自電磁場中獲取能量，將存儲信息通過電波回傳至閱讀器，閱讀器接收后，可將其轉換為相關數(shù)據(jù)，與應用系統(tǒng)對接即可進行進一步處理[2]。作為極具潛力的信息技術產(chǎn)業(yè)，RFID 在制造業(yè)、零售、物流、軍事、教育及醫(yī)療等多個領域發(fā)揮重要作用，應用場景廣泛。2010年，物聯(lián)網(wǎng)技術納入我國國家發(fā)展戰(zhàn)略，RFID 迎來發(fā)展機遇，在政策導向、市場需求等重大利好下，RFID 行業(yè)生態(tài)鏈日益完善，RFID 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提供數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國RFID 行業(yè)市場規(guī)模已達到1600 億元以上。

隨著新冠感染在全球爆發(fā)，RFID 以其非接觸性識別的特點，在特殊時期廣泛應用于各類場景，如山東海岸公安警察利用RFID 漁船識別系統(tǒng)智能監(jiān)管，防范未登記的外籍漁船入港；中鐵二十五局廣州地鐵項目部利用圖像識別系統(tǒng)結合RFID 人員定位芯片，實時獲取施工人員軌跡，對人員聚集行為進行預警。疫情防控也促進了“無接觸購物”模式的發(fā)展，如無人售貨超市，通過在商品包裝粘貼RFID 標簽，實現(xiàn)商品在360 度空間內精確識別，結合自動收銀臺中設置的讀寫系統(tǒng)，即可完成費用結算。在超市出入口部署集成了讀寫器及天線的門禁系統(tǒng)，既有防盜效果，又可對商品庫存及損耗進行把控。近年來，國家也推出冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃、物聯(lián)網(wǎng)安全標準體系建設指南等多項與RFID 相關的政策，伴隨通信技術的進一步發(fā)展，RFID 將繼續(xù)保持強大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 硬件系統(tǒng)構建

根據(jù)實驗室大小范圍、設備數(shù)量及實際管理需求，對RFID系統(tǒng)架構進行了設計，共分為四個層級，分別是對象層、采集傳輸層、數(shù)據(jù)處理層及信息展現(xiàn)層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案架構

■2.1 對象層

對象層由實驗室設備及RFID 標簽構成，對原有EAN-13 編碼的資產(chǎn)標簽進行改造，用于標識設備信息，開展設備管理。RFID 標簽可分為有源、半有源及無源三類，前二者有內置電池供電，識別距離長，使用壽命在5 年內且成本較高；無源RFID 標簽無電池，成本較低，無需定期維護，但識別距離較短，且對讀寫器功率有所要求[3]。鑒于常規(guī)實驗室面積不會很大，決定選用無源RFID 標簽，根據(jù)設備的不同張貼某品牌抗金屬或紙質標簽，基于ISO18000-6C 協(xié)議，工作頻率為860～960MHz，使用壽命不低于10 年。由手持讀寫器完成標簽發(fā)卡，限制于存儲容量，僅寫入設備編號及名稱兩個主要字段，紙質標簽可預先打印設備條碼及名稱。

■2.2 采集傳輸層

采集傳輸層是硬件系統(tǒng)的核心，由手持讀寫器、通道讀寫器、天線及計算機網(wǎng)絡構成。手持讀寫器具有高度的集成性與靈活性，支持標簽發(fā)卡與讀寫，用于RFID 標簽初始化與設備清查等工作。選擇某品牌手持終端PDA，搭載Cortex-A53/1.4GHz 四核心處理器，Android 9.0 系統(tǒng)，集成5.7 寸LCD 顯示屏，支持4G、WIFI 及藍牙網(wǎng)絡連接，讀寫距離最大達12 米。利用廠商的軟件開發(fā)包開發(fā)了基于JAVA 的軟件系統(tǒng)，設備清查時，可識別范圍內的RFID 標簽，獲取數(shù)據(jù)，快速盤點，上傳設備信息表至服務器端，生成清查結果，可極大減輕實驗室管理人員負擔。

在實驗室出入口處安裝通道讀寫器，即RFID 門禁設備，其可對可能帶出實驗室的設備進行非接觸識別，并通過紅色標記燈及蜂鳴器進行警示。在設備選型中，除高度、材質外，還應考慮觸發(fā)敏感度及識別距離，部署設備尺寸為1.5×0.6 米，材質為鋁合金外框及鋼化玻璃主體，單門重量約40 千克，雙向觸發(fā)識別，支持RSSI 數(shù)值檢測，讀寫距離0 至5 米，設有以太網(wǎng)接口一個，用于數(shù)據(jù)通信。天線用于發(fā)送接收無線電波，提升系統(tǒng)性能，也是系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)，選擇某品牌中型平板天線，圓極化，工作頻率865-868/902-928MHz，每實驗室部署兩個，安裝于棚頂。

■2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由應用服務器及數(shù)據(jù)庫服務器構成，部署聯(lián)想ThinkServer SR590 服務器兩臺，搭建實驗室管理信息系統(tǒng)，接受采集傳輸層采集到的信息，對信息數(shù)據(jù)進行處理，所有設備皆接入校園網(wǎng)，網(wǎng)絡架構如圖2 所示。軟件設計將在下一節(jié)詳細闡述。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

■2.4 信息展現(xiàn)層

信息展現(xiàn)層主要由連接校園網(wǎng)的臺式計算機構成，通過實驗室管理系統(tǒng)，向管理者展示實驗室設備現(xiàn)狀及統(tǒng)計信息。此外，手持式終端設有一塊5.7 英寸高分辨LCD 顯示屏，搭載Android 9.0 移動操作系統(tǒng)，也可以進行簡要的信息展現(xiàn)。

3 軟件系統(tǒng)設計

RFID 實驗室管理系統(tǒng)主要包含服務器端及手持移動端兩個部分，需分別進行開發(fā)，在滿足工作需求的前提下，為確保系統(tǒng)的運行速度及操作便捷，盡可能對功能模塊設計進行了簡化，功能模塊圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

■3.1 服務器端

服務器端采用ASP.NET MVC 模式進行開發(fā)，其有效簡化復雜的開發(fā)程序，穩(wěn)定性較高，易于擴展。因系統(tǒng)數(shù)據(jù)量并不龐大，基于安全性及開發(fā)習慣考慮，選用SQL Server 2008 作為數(shù)據(jù)庫工具。系統(tǒng)采用Visual Studio 2015 工具開發(fā)，此工具將C#、VВ 等各類語言進行整合，開發(fā)環(huán)境開放且十分穩(wěn)定，并支持跨平臺的移動開發(fā)。

系統(tǒng)開發(fā)過程如下，創(chuàng)建名為 “RFID Device”的MVC 項目，通過需求分析，基于MVC 模式構建管理系統(tǒng)的Model 模型、View 界面視圖及Controller 控制類；接下來對模型進行開發(fā)，設定系統(tǒng)的各項控制接口，對控制類進行開發(fā)，利用控制類完成不同指令下視圖的顯示控制；最后進行視圖開發(fā)，控制數(shù)據(jù)通過視圖傳輸至模型，并由模型與數(shù)據(jù)庫通信完成數(shù)據(jù)處理。

SQL Server 2008 具有較好的安全性與穩(wěn)定性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)量并不龐大，在數(shù)據(jù)庫設計前進行了詳盡的調研論證，合理規(guī)劃了數(shù)據(jù)表字段，進行概念模型與邏輯結構設計，設定各表主鍵，構建表間聯(lián)系，共建立12 張數(shù)據(jù)表。

服務器端共包含系統(tǒng)管理及設備管理兩大功能模塊，每個模塊細分若干子模塊，具體如下：

(1)系統(tǒng)管理

本模塊用于對系統(tǒng)進行整體的設置，包含用戶管理、權限設置、機構管理及數(shù)據(jù)管理四個子模塊。共設定校級、學院及實驗室三級管理員，不同級別管理員在權限設置子模塊配置不同權限，機構管理用于設定二級單位及實驗室，數(shù)據(jù)管理模塊用于數(shù)據(jù)表的備份及還原。

(2)設備管理

本模塊用于實驗室具體設備的管理，包含設備入庫、設備查詢、設備調配、設備報廢及設備清查。設備表的字段與校級資產(chǎn)管理平臺基本一致，包含編號、名稱、分類號、型號規(guī)格、單價、廠家、購置日期、存放地及狀態(tài)等信息。設備清查模塊是系統(tǒng)開發(fā)的核心功能，可查詢到清查人員使用手持移動終端進行盤點后的結果，以及每個設備的當前狀態(tài)。

■3.2 手持移動端

手持移動端系統(tǒng)采用廠商提供的軟件開發(fā)包，包括類庫、示例應用程序及若干說明文檔，在SDK 輔助下，利用JAVA 語言開發(fā)應用程序，以編程方式控制RFID 手持讀寫器工作。

開發(fā)的關鍵主要有兩項，首先是實現(xiàn)RFID 手持端對服務器數(shù)據(jù)庫的遠程訪問，這里利用了廠商提供的依賴庫及JAVA 語言的JВDC 程序接口，導入依賴庫后調用Class.forName()，將驅動管理類進行初始化，進而通過驅動管理類的GetConnection()構建訪問遠程數(shù)據(jù)庫的程序接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；其次是實現(xiàn)系統(tǒng)對RFID 手持端掃描功能的控制，這里同樣基于廠商的依賴庫進行開發(fā)，調用讀寫器類實現(xiàn)與設備連接，利用RFID.Init()及RFID.OpenAndConnect()完成掃描芯片的連接運行，繼續(xù)開啟識別Tag 循環(huán)，將讀取的數(shù)據(jù)存至緩存區(qū)，依次進行處理，這里返回的數(shù)據(jù)可以是多個RFID 標簽的一次性讀取結果。手持移動端系統(tǒng)功能模塊如下：

(1)設備標簽寫入

因硬件設備未配備桌面發(fā)卡器，故由手持移動端本模塊完成RFID 資產(chǎn)標簽寫入功能，將設備編號、名稱、存放地等核心信息寫入至打印條形碼后的無源RFID 標簽，并進行張貼。

(2)清查盤點

此為系統(tǒng)重要的核心功能，用于進行實驗室設備的快速盤點，手持移動終端處于實驗室中心位置處，啟動設備清查，終端的RFID 探頭將自動對范圍內的RFID 標簽進行掃描，獲取信息。掃描結束后，將生成設備信息表，存儲在終端RAM 內。手持移動端通過無線局域網(wǎng)與服務器端進行數(shù)據(jù)通信，將設備信息表上傳至服務器，進行信息比對，如一致則返回設備正常信息，如不一致則顯示未在線設備名稱，并生成清查結果文檔。手持移動端同時具備定位功能，可對操作位置進行定位采集，輔助工作開展。

(3)設備查詢

本模塊用于讀取RFID 標簽，對單個設備的信息進行查詢，確認標簽信息與設備是否相符。實驗室皆實現(xiàn)無線局域網(wǎng)覆蓋，也可以通過查詢設備資產(chǎn)編號，自服務器端獲取設備信息，進行比對。本模塊同樣可以以實驗室為單位進行設備情況的統(tǒng)計查詢。

4 總結與展望

本文完成了RFID 實驗室管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)，采用兩個實驗室作為試點，每實驗室部署手持PDA 終端1 個、通道讀寫器1 個、天線2 個、無源標簽約120 個，設備選型如圖4 所示，總成本較低。通過了RFID 設備功能測試及信號覆蓋測試，目前已投入使用，實現(xiàn)了信息化管理，實時日志記錄，統(tǒng)計便捷，助力實驗室形成高效準確的設備管理模式，杜絕了設備丟失現(xiàn)象，減輕了管理人員負擔，提升了工作效率。

圖4 設備選型

系統(tǒng)目前仍存有不足，首先是現(xiàn)有資產(chǎn)及設備暫無法實現(xiàn)人員登記功能，后續(xù)將考慮將RFID與校園一卡通結合，改造現(xiàn)有卡片為ISO18000-6C 協(xié)議的IC 卡，利用通道讀寫器進行識別[4]；其次是RFID 實驗室管理系統(tǒng)與校級資產(chǎn)管理系統(tǒng)暫未對接，存在數(shù)據(jù)孤島，后續(xù)將研究論證。除技術支撐外，還應進一步規(guī)范實驗室管理機制，從機構建設、隊伍建設、規(guī)章制度建設等方面改革創(chuàng)新管理[5]，打破壁壘，全面推動實驗室開放。