高校實驗室RFID技術的應用

周少珂 鄧淼磊

摘要：RFID（Radio Frequency Identification ，RFID）技術是物聯網感知層中一種重要的數據信息采集技術，可在無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，為使該技術更好的服務于高校實驗室管理，首先簡述了RFID技術基本工作原理；并對實驗室架設和管理進行了詳細說明；繼而對該系統與傳統實驗室管理模式進行了比較，得出了新系統引入對高校實驗室管理工作所帶來的便捷、高效等諸多優勢；最后對該技術進行了展望，以期借助于RFID技術更好的實現實驗室管理的自動化、智能化。

關鍵詞：RFID；實驗室；標簽；讀寫器；技術應用

中圖分類號：TP308

The application of RFID technology in university laboratory

ZHOU Shaoke， DENG Miaolei

（College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： RFID technology， a kind of significant data information acquisition technology of IoT perception layer， was used to build mechanical and optical contact between without recognition system and specific objectives. In order to serve the university laboratory management better， the basic working principle of RFID technology is overviewed firstly at the beginning of this paper. Then， how to set up and managing the laboratory are discussed in detail. Moreover， the laboratory management by RFID and traditional technology are compared separately. It is indicated that the introduction of RFID actually could make the university laboratory management work more conveniently and efficiently. Finally， the prospection of RFID is put forward for achieving the automation and intelligence of laboratory management earlier.

Keywords： RFID；laboratory； labels； Readers； technology application

0 引言

當前，隨著高校教育事業進化格局的相繼確立，高校實驗室的建設發展也逐漸提升至戰略突出地位，在立足培養學生理論學習的同時更加重視學生的動手能力[1- 2]。為此，各家高校也隨即結合自身情況和背景優勢，大量采購和配置設備，使得實驗室建設中的實驗設備種類和數量也正日臻高端與完善，但與此相伴而生的卻是發現，傳統形式的實驗室管理（大部分采用人工化、紙質化、計算機半自動化）方面的缺點則日益凸顯，關鍵問題主要集中在如下方面：

1）實驗室管理員無法對教師授課和學生上課等環節配備實時記錄；

2）實驗設備利用率不高；

3）實驗設備在借出、歸還管理方面較為繁雜，未能做到實時性規范跟進，人工操作容易產生失誤；

4）在對實驗設備提供維修和更換時易導致管理混亂；

5）對實驗設備的丟失無法實施搞笑督查，而且設備的丟失也給高校帶來了可觀財政耗費[3- 4]。

綜上問題探索可知，傳統實驗室管理的方式變革已勢在必行，物聯網RFID（Radio Frequency Identification ， RFID）技術的應用則順應了未來研發設計的潮流方向[1， 5- 6]。基于這一研究背景，本文對RFID技術應用于高校實驗室管理工作的基本原理和具體實現給出了深入的分析和詳細的闡述。

1 RFID技術及其工作原理

無線射頻識別的原理過程是一種非接觸式的自動識別技術，可通過射頻信號自動識別特定的目標對象并獲取相關的數據信息[7]，即RFID技術將無需在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，而是利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞，進而通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[8]，考慮到系統成本問題，RFID系統采用低頻、無源的成熟技術[9]。

RFID系統主要由三部分組成：讀寫器、標簽、應用系統，組成結構如圖1所示。其中，讀寫器（Reader）又名閱讀器或識別器，標簽（Tag）又名應答器，兩者均由天線、耦合元件和芯片組成，其中每一個電子標簽具有唯一一個可識別的電子編碼（code），此標簽附著在物體上用來識別目標對象；應用系統即把數據進一步處理的應用層軟件和中間件[10]。

圖1 RFID系統組成

Fig.1 RFID System and Components

RFID技術工作原理如圖2所示。RFID系統通過產生無線射頻信號以電磁波的形式利用讀寫器的天線發射出去，電子標簽如果在無線信號場發射范圍內就會借助標簽天線接收信號，標簽內部的耦合元件和讀寫器之間的耦合元件將基于電磁感應產生感應電流，進而激活標簽內部芯片，產生的感應電流使標簽獲得能量。當標簽獲得能量后，數據同樣以無線信號通過標簽的內置天線回傳給讀寫器天線接收。讀寫器天線接收到信號后即會傳給讀寫器，數據在讀寫器內部完成解碼和解調，并將最終計算機可以識別的二進制數據傳送給應用系統，最后計算機后臺應用系統則將定制執行有關數據的管理和指令操作[11]。

2 實驗室中RFID系統的管理

傳統實驗室管理中，大部分工作均需交付人工進行記錄與操作，隨著科技的進步實驗室的管理也引入了自動化，但是這種自動化卻并非真正意義的自動化，只是利用電腦和網絡對一些工作增加了簡單的記錄、查詢。因此，為了真正意義上能夠提高工作人員的效率及資源的利用率等，就需要在實驗室中架設RFID系統，如圖3所示。

2.1門禁管理系統

傳統的實驗室都由人工來控制管理，人工開關實驗室的安全門。每次使用實驗室都需要向實驗室管理員提交預約、申請和登記等，工作流程雜，而且也消耗了老師、學生的大量時間，導致某些實驗不能及時操作完成，老師和學生們的工作效率也隨即受到重大影響。此外，人工管理也易出現疏漏，諸如貴重設備的減毀即會造成無法估量的損失[12- 13]。為克服以上問題，將RFID技術引入門禁系統后應詳加考慮如下事項：

1）在進入實驗室的門口處安裝RFID系統的讀寫器天線裝置，管理員、教師可以使用帶有標簽裝置的工作證，學生可以使用校園一卡通，在每次進入實驗室時可以分別刷卡，并予通過后放行。這樣既可以防止外來人員的非法出入，又可以保證實驗室內的設備安全。

2）在進門處的正上方墻頂可以安裝高清攝像頭和報警裝置。如果遇到一些強行進入的人員，攝像頭可以時時采集入口處人員的影像畫面，傳給后臺管理員的監控系統數據庫，并及時發出警報，使管理員及時采取措施形成安全處理，以減少財產損失。

同時，每次教師、學生在刷卡進入實驗室時，讀寫器會自動記錄各次進入的教工編號或學號、性別、學院、專業、日期等信息，并將該信息及時傳送給后臺數據庫，使擁有相應權限的管理員進行定時查詢和管理，便于教師、學生的考勤。

2.2設備管理系統

實驗室管理中位居顯要、且涉及最大工作量的環節就是設備管理，現對其按如下方面給出描述闡述。

2.2.1設備的錄入和借出

如今，在高校發展的同事，其硬件的配備也正日益完善，尤其是在各個院系的實驗室中，實驗設備無論從種類還是數量上都在不斷的增加與持續優化中。但是隨之而來的一些問題也逐漸暴露，單純地把各類設備利用人工錄入到管理員電腦中的這種半自動化操作模式已經滯后于時代前進步伐，因此，為了提高管理工作效率，即可在每種購進設備和細小的部件中貼上無源的電子標簽。電子標簽可以寫入設備的名稱、類型、型號、生產日期、生產商、所在實驗室等等一系列屬性信息。管理員可以使用固定讀寫器或者手持式便攜讀寫器等設備直接一次性完整掃描錄入，錄入后所有的設備數據都會自動傳輸到管理員后臺的數據庫管理系統，以此來減輕管理人員在設備錄入時的工作量。

傳統實驗室缺少實驗器材時，便會直接向學校上級部門提出申報，但卻并不排除其它實驗室已配有該設備或類似設備的可能，這樣就造成了重復購置相同設備的資金浪費，但時下，通過RFID系統，各個實驗室即可協同網絡連接，實現信息共享，以便及時了解相關實驗室具體的設備信息，由此則儲備有目標設備的實驗室便可通過讀寫器掃描，在后臺數據庫進行數據信息變更，將其標識為借出狀態，進而集成限定了實驗室設備的有效使用與借出。

2.2.2設備的維護和調配

每年實驗室的設備損壞和不同實驗室間調配多是類屬尋常，因此，設備的維護和調配也是設備管理流程中的又一重要環節。

當相同種類的設備發生損壞，甚至如果毀壞的數量超出常規，僅是單純的記錄就可能堪稱為一項巨大的工作量。因此在RFID系統中，每種設備或者同種設備之間都可以粘貼電子標簽。即使同形同款設備損壞時，只要管理人員持讀寫裝置進行標簽掃描即可知道此設備的具體信息，利于清晰區別，進行方便的維護。

實驗室之間根據學院的安排和使用需要，再不同設備之間或者小部件之間進行調配，雖然提高了資源利用率，但是卻于無形中為日后的設備清查和整理中帶來了極大的麻煩和工作量。因此，在RFID系統中，即便小到任何一個部件，都可以貼上電子標簽，并對信息真實錄入，當在不同實驗室或者不同樓宇間進行調配時，就可更新、記錄有關信息，這樣對于設備自身就能獲得一個時時跟蹤的效果。

2.2.3設備的清查和處理

每當學校上級部門開展資產清查時，常常就是實驗室工作量激增、且緊急繁瑣的時候，而且人工統計也未必精確完整，可能會遺下一些紕漏。因此在使用RFID系統后，工作人員只要攜帶手持式讀寫裝置，在實驗室中行進巡視一圈，該范圍內的全部設備信息都會重新讀取，并及時傳輸到后臺的數據庫管理系統，最終工作人員根據后臺數據進行核對、統計即可。

統計后，再將相關信息及時上報給學校，等待學校對設備的處理指示，若存在問題也可追蹤鎖定。這在相當程度上利于學校設備的構建與實現。

2.3實驗室管理員、教師、學生管理系統

在實驗室管理員、教師、學生3種不同身份的人群中，賦予不同的權限進行各自操作。實驗管理員，即系統管理員擁有該系統管理的最高權限，可以實時查詢系統的平臺統計數據，如：實驗室設備信息、教師上課信息、學生上課信息、課程信息等等一系列信息。教師則具有系統設定的基本權限如：查詢實驗室空閑的信息、學生上課的情況信息、學生實驗課程分數信息、學生選修該課程信息等。而此外的學生則僅有一些特定簡單的權限如：查詢實驗室空閑的信息、學生在哪個實驗室上課信息、學生本人于某課程考核分數信息等。

在此基礎上，為了提高實驗室設備的利用率，就要給教師、學生提供盡可能充分的實驗開展及調度空間。在RFID系統中，學生可以在無教師管理的情形條件下，只要能夠出具合法的工作證或者校園一卡通等標簽設備，就可以在閑時去實驗室反復深入鉆研實驗，若是設備損壞或者丟失，數據庫系統也可以進行即時詳盡記錄，發揮定位追蹤的效果[14]，這樣也進一步減輕了實驗室管理人員的日常工作負荷。

2.4后勤管理系統

實驗室中，各種實驗設備種類繁多，數量龐大。非專業儀器如：照明器械、空調、開關、攝像頭、溫濕度傳感器等，這些儀器的耗損不可避免，然而通過傳統管理流程給學校后勤打電話或通過網上留言進行報修則必將經歷冗長周期，而且如果后勤人員還未能準確理解破損設備的類型和型號，則無疑將影響解決問題的效率。

因此，在后勤管理系統中，RFID系統的應用系統組成部分和后勤相關部門網形成一個局域網絡。可以在局域網內架設一些數據庫服務器，使實驗室和后勤部門及時查詢到數據庫中需要維護報修的設備。具體實現的工作原理如下：

1）實驗室中無論專業或者非專業設備儀器，都在其上貼附電子標簽。電子標簽是可以讀寫信息的，可以把設備信息如：設備名稱、設備類型、設備編號、出廠日期、質保時間、所在實驗室等信息錄入標簽；

2）當設備錄入數據庫系統時，可以通過管理員的手持終端或者固定裝置讀寫器針對標簽設備實施操作，最終傳輸到后臺的計算機應用系統；

3）當實驗室某種設備損壞或者丟失時，一方面實驗室警報裝置會發出報警信號傳給后臺管理系統，使管理人員第一時間察覺發現。另一方面，設備的損壞或者丟失信息會通過讀寫器同步同時傳給實驗室管理員和后勤工作人員。由此，即達成了實驗室工作人員和后勤人員的無誤差溝通，現實促進了實驗室和后勤兩部門的準確無縫銜接，從而顯著提升了各部門的工作效率。

2.5數據庫管理系統

無論是任何企業或單位，數據信息的管理都是舉足輕重的和新焦點，數據的丟失、泄露、竊取都將給企業或單位帶來不可估量的損失，因此在RFID系統的組成部分—應用軟件系統中，數據庫管理系統也將成為至關重要的研發設計主題內容。

數據庫記錄了各種關鍵的數據，傳統模式“人工紙質化加計算機系統半自動化”已經無法滿足高校實驗室的發展。隨著時代進步，設備的種類和數量會越來越多，這也就使得數據庫的數據也呈現出海量性質，因此就需要在大量數據的基礎上加以優化、組合、分類[15]，并在時下的大數據和云計算基礎上對數據庫實行聚合集成處理，以增強數據庫功能，進而提高系統的性能。

3 RFID系統優勢

隨著智能園區、智慧醫療、智能學習、智慧物流、智慧生活、智慧建筑迅速興起，高校實驗室使用物聯網RFID技術使實驗室也將趨于智能發展未來。

傳統的實驗室管理很大程度上都是采取人工方式或人工和計算機相結合的半自動的方式，因而在管理上面仍然需要大量的人工統計與操作。不僅需要耗費大量時間，而且必要時相關人員還要以加班的方式去核算統計信息，因而某一刻的疏漏就會導致信息統計出現差池。將RFID技術引入高校實驗室，除了可以重點減輕工作人員的承載壓力，相同的工作量只需少數人便可完成，主要表現即是在信息統計上通過非人工操作可以自動感知獲取，因而優勢控制并降低了人工操作產生的誤差。還有就是也更為顯著提高了教學、實驗室、學生、后勤等相關部門的關聯配合默契度，最大限度地改善了工作效率。

表1 RFID系統與傳統模式管理對比

Tab.1 Comparison between RFID and the traditional model management system

RFID系統管理 傳統模式管理

工作人員 少 多

工作時間 少 多

投入成本 高 低

設備利用率 高 低

部門間配合效率 高 低

設備去向追蹤 是 否

設備信息感知 是 否

統計誤差產生 否 是

4 結束語

時下研究可知，實驗室管理要想獲得一個變革性的發展就需要在技術上取得重大突破，RFID技術的應用就從根本上提高了管理人員的工作效率，并且全面減輕了工作人員的工作量。

工作人員只要攜帶手持式便攜讀寫器或者把設備置遇讀寫器附近，讀寫器就可以感知設備，同時讀取設備的相關信息，進而通過一定方式傳給計算機應用系統中的數據庫。無需人工參與操作則在杜絕重復性操作的同時，也將有效削減人工操作帶來的誤差。

然而現在RFID技術的應用生產成本偏高，其系統組成中讀寫器和標簽成本也價值不菲[16]，這一因素無疑制約了該技術在高校實驗室中的應用。因此，在未來RFID技術的發展過程中的首要一點就是要控制生產成本。標簽技術包括無源標簽、半無源標簽、有源標簽。其中，無源標簽技術在國內市場已臻成熟，且其使用成本較低，但現實傳輸數據距離卻略短。而半無源標簽、有源標簽因其內部的組成和原理與無源不同，則使得價格相對較高，但其傳輸數據距離長度上卻呈現優勢。其后，在未來的發展中要想使技術更加忒進實用市場化，就要一方面降低生產成本，另一方面又要改進RFID系統工作時的理想可讀寫距離[17]。

基于此，在下一步的RFID系統研究發展中需要集中關注考慮如下問題：

1）生產投入成本降低，提升該技術在市場中的應用；

2）標簽技術在半無源、有源方面的工藝更趨完善，從而使標簽使用壽命更長，生產成本更低，制作工藝更加高級；

3）讀寫器技術的升級需使得該設備使用更加便捷，外觀設計更加靈巧，信號工作范圍更加廣泛，由此而免除某些因地勢、金屬、障礙物等因素產生的不良影響；

4）計算機應用系統開發和設計上也會更為推崇優化升級。如今RFID系統在中國沒有統一標準，各個生產商都遵循自己制定的規則，使得當下許多RFID系統和后臺軟件系統或者中間件都難以實現兼容。未來RFID系統在統一的標準下，計算機應用系統等都會著力打造共享兼容，整個體系都將呈現更高檔位的協調運轉。

綜上，本文設計成果若付諸實踐，可使得人員的參與比例大大降低，工作效率將大幅提高，同時工作中的差錯率得到有效控制，高校實驗室運行也將更趨規范，為新時代高校建設與發展提供了可行基礎與實用依據。

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