RFID技術(shù)在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

董 超，翟 猛，竇慧洋，寧向平

DONG Chao, ZHAI Meng, DOU Hui-yang, NING Xiang-ping

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高校教育事業(yè)賴(lài)以生存和發(fā)展的前提，尤其是開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)的提高起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室普遍存在著實(shí)驗(yàn)人員不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備空閑率高兩方面難題。鑒于以上問(wèn)題，特提出基于RFID技術(shù)結(jié)合Internet技術(shù)構(gòu)建開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)室管理效率和水平。

1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID(Radio Frequency Identification的縮寫(xiě))，即射頻識(shí)別，俗稱(chēng)電子標(biāo)簽，是從上世紀(jì)八十年代起走向成熟的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID有讀取方便快捷、識(shí)別速度快、數(shù)據(jù)容量大和標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改的特點(diǎn)[1]。

目前RFID技術(shù)已在以下四個(gè)方面得到了成熟的應(yīng)用。

1）物流：物流倉(cāng)儲(chǔ)是RFID技術(shù)重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。可應(yīng)用的過(guò)程包括：物流過(guò)程中的貨物追蹤、信息自動(dòng)采集、倉(cāng)儲(chǔ)管理應(yīng)用、港口應(yīng)用、郵政包裹和快遞等。

2）零售：沃爾瑪、麥德隆等大型超市已采用了RFID技術(shù)達(dá)到了降低勞動(dòng)力成本和提高商品的可視度，降低因商品斷貨造成的損失，減少商品偷竊現(xiàn)象的目的。_

3）醫(yī)療：應(yīng)用于醫(yī)院的醫(yī)療器械管理，病人身份識(shí)別，嬰兒防盜等領(lǐng)域。醫(yī)療行業(yè)對(duì)標(biāo)簽的成本比較不敏感，所以該行業(yè)是RFID技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。

4）制造業(yè)：應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量追蹤、自動(dòng)化生產(chǎn)和個(gè)性化生產(chǎn)等。在貴重及精密的貨品生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用更為迫切。

由此可見(jiàn)RFID技術(shù)已在社會(huì)生活的各個(gè)方面得到了成熟的應(yīng)用，因此提出RFID技術(shù)在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 實(shí)驗(yàn)室人員管理模塊及構(gòu)成

該模塊主要由兩大部分組成，即學(xué)生端和管理端。如圖1所示，學(xué)生端主要為學(xué)生服務(wù)，主要功能為實(shí)驗(yàn)室預(yù)訂、實(shí)驗(yàn)室信息查詢(xún)及個(gè)人信息查詢(xún)。管理端主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理和對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用情況等進(jìn)行評(píng)估[2]。

從圖1可以看出該模塊增加了學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室管理者的交互，在實(shí)驗(yàn)室預(yù)訂模塊中，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要在線查詢(xún)和預(yù)訂實(shí)驗(yàn)室，預(yù)訂內(nèi)容可以包括時(shí)間、題目、所需設(shè)備等，預(yù)訂完成后數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，而管理端則可以利用RFID技術(shù)對(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行自動(dòng)登記，實(shí)現(xiàn)刷卡上機(jī)功能。此外還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)課的考勤情況和實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)進(jìn)行查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，以達(dá)到統(tǒng)一管理的管理目標(biāo)[3]。

圖1 人員管理模塊結(jié)構(gòu)圖

RFID 射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于射頻識(shí)別器的應(yīng)用，考慮到與校園一卡通的兼容性，采用NXP生產(chǎn)的MF RC500非接觸IC卡/電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器，可以讀寫(xiě)符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡及符合ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID電子標(biāo)簽，支持的卡片種類(lèi)有：Mifare One、Mifare Pro、上海復(fù)旦、AT88RF020、SR176、SRIX4K（TYPE-B）以及符合ISO14443 TYPE-A 或 ISO14443 TYPE-B的雙界面CPU卡，在此基礎(chǔ)上只需要占用校園一卡通的一個(gè)或幾個(gè)扇區(qū)即可實(shí)現(xiàn)所需功能[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理模塊及構(gòu)成

使用RFlD技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理，采用電子標(biāo)簽將實(shí)驗(yàn)物品的基本屬性和幫助化信息等內(nèi)容存儲(chǔ)起來(lái)，通過(guò)閱讀器或網(wǎng)絡(luò)管理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些基本信息包括型號(hào)、規(guī)格、單價(jià)、出廠日期、設(shè)備號(hào)、使用單位、使用地點(diǎn)、維修紀(jì)錄和生產(chǎn)廠家等多種信息。傳統(tǒng)的紙質(zhì)標(biāo)簽即使能夠?qū)⑷啃畔⒈硎境鰜?lái)，但費(fèi)工費(fèi)力，且維護(hù)工作量大。統(tǒng)一使用電子標(biāo)簽后，每個(gè)儀器將帶有一個(gè)具有存儲(chǔ)芯片的模塊，上述所有的儀器信息將全部存儲(chǔ)在模塊中[6]。當(dāng)儀器的內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，用手持讀/寫(xiě)卡器將很容易地修改芯片的內(nèi)容，完成電子標(biāo)簽內(nèi)容的更新[7]。

如圖2所示，設(shè)備維護(hù)巡檢后的信息在現(xiàn)場(chǎng)可以錄入手持機(jī)，同時(shí)存儲(chǔ)于設(shè)備上的電子標(biāo)簽，不僅節(jié)省了人力物力，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，并使學(xué)校用于設(shè)備維護(hù)的成本降低。

圖2 設(shè)備管理模塊結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用射頻跟蹤自動(dòng)識(shí)別管理系統(tǒng)，可以?xún)?chǔ)存大量的設(shè)備信息，同時(shí)還有每次維護(hù)、維修和巡檢的相應(yīng)記錄，這樣可以預(yù)防由于不確定原因造成原設(shè)備建檔檔案損壞和遺失造成的設(shè)備信息資料的丟失，而且每次巡檢和維護(hù)必須做到對(duì)每一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況進(jìn)行了解，并作相應(yīng)的信息存儲(chǔ)操作，這樣可以避免對(duì)設(shè)備巡檢和維護(hù)工作的疏漏。由于每次巡檢和維護(hù)的結(jié)果都存儲(chǔ)于芯片而且這些信息是不能夠被隨意更改的，這就避免了如果出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相關(guān)的責(zé)任事故時(shí)不能明確是人為責(zé)任還是設(shè)備責(zé)任的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備日常維護(hù)工作變得有據(jù)可查。

2.3 人員和設(shè)備定位模塊

RFID技術(shù)在無(wú)線傳輸環(huán)境中對(duì)物品的識(shí)別定位方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。利用附著在物品上的RFID有源標(biāo)簽作為發(fā)射信號(hào)源，讀寫(xiě)器作為接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的無(wú)線定位。

定位算法采用TDOA（Time Difference of Arrival）到達(dá)時(shí)間差法，TDOA算法是對(duì)TOA算法的改進(jìn)，該算法不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置，利用移動(dòng)臺(tái)到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間TOA，取其差值來(lái)獲得。采用這種方法需要基站時(shí)間的嚴(yán)格同步，但是當(dāng)兩基站間移動(dòng)信道傳輸特性相似時(shí)，可減少由多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差。

3 尋卡及讀卡的實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇了Visual Basic6.1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其提供了DltTML(Dynamic}tTML)設(shè)計(jì)工具，利用該平臺(tái)可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和編輯Web頁(yè)面，方便在VB中開(kāi)發(fā)多功能的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件[5]。

圖3是RFID讀卡器選卡及讀卡程序流程圖。

圖3 尋卡及讀卡程序流程圖

RFID讀卡器通過(guò)串口RS232標(biāo)準(zhǔn)與PC機(jī)通信，以下為關(guān)鍵代碼：

以下為選卡部分程序

i = rf_select(0, buf1(0), 4, b1)

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂選卡失敗！＂

Exit Sub

End If

lb_info.Caption = ＂選卡成功！＂

End Sub

以下為驗(yàn)證密鑰程序

i = rf_M1_authentication2(0, b1, b3, buf1(0))

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂驗(yàn)證密鑰失敗！＂

Exit Sub

End If

以下為讀卡程序

i = rf_M1_read(0, b3, buf2(0), b2)

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂讀卡失敗！＂

Exit Sub

End If

s1 = ＂＂

For i = 0 To b2 - 1

s1 = s1 & Right(＂00＂ & Hex(buf2(i)), 2)

Next i

tx_sj.Text = s1

lb_info.Caption = ＂讀卡成功！＂

End Sub

校園卡一般有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼，用戶(hù)可靈活定義每個(gè)扇區(qū)的訪問(wèn)控制，而該系統(tǒng)管理信息只需要占用校園卡的一個(gè)或幾個(gè)扇區(qū)即可滿(mǎn)足要求，達(dá)到校園卡對(duì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理卡的兼容。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于RFID技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將瑣碎、復(fù)雜的手工管理轉(zhuǎn)變成為簡(jiǎn)單、輕松的自動(dòng)化管理模式，極大的減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和設(shè)備的使用率，提升了實(shí)驗(yàn)室管理水平，該系統(tǒng)必將會(huì)在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

[1] 王瑾.基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010:5741-5742.

[2] 饒?jiān)鋈?郭明超.RFID及識(shí)別技術(shù)在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009:159-163.

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