基于UHF RFID技術(shù)的高校實驗室設備的管理方案

黃振江

摘 要：傳統(tǒng)的實驗室設備管理主要是以手工的方式人工地去統(tǒng)計和管理，這樣的管理方式效率低下且不合乎現(xiàn)代管理思想。現(xiàn)代化高效率的實驗室設備管理方案應該將設備被主動式識別、位置識別和資產(chǎn)狀態(tài)維護與識別集成在一起。為了實現(xiàn)這一目標，引入高頻RFID（UHF RFID）技術(shù)和使用高頻天線陣列，通過有源高頻天線陣列實時讀取實驗室房間范圍內(nèi)UHF RFID標簽，并通過標簽返回RSSI信號的強弱來評估資產(chǎn)當前位置。最后，將讀取到的標簽信息實時經(jīng)無線或有線網(wǎng)絡傳送到服務器端完成后端的監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。該設計方案可以提高管理的效率和降低部署成本，同時可以擴展到倉儲管理、智能物流、資產(chǎn)管理和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：UHF RFID;實驗室設備管理;高頻天線陣列;高效率

中圖分類號：G647.6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2019）12-0192-02

一、各高校實驗室設備管理現(xiàn)狀

實驗室設備管理操作包括從設備的申購、購買、倉儲、使用、維護、盤查到報廢整個資產(chǎn)的生命周期。目前各高校實驗室設備管理的現(xiàn)狀是：實驗設備、實驗儀器和相關(guān)資料的使用頻率高部分流動性大，并且總體數(shù)量、分布情況、儀器狀態(tài)等基礎信息數(shù)量龐大，通過常規(guī)的方法和人工的手段去盤查和登記，這樣原始的管理方法需要大量的人力和財力去盤查、登記和檢驗設備的完好率。由于近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和射頻識別RFID技術(shù)的不斷發(fā)展，在倉儲、物流和其他行業(yè)管理中正在引起一場管理技術(shù)性的革命。RFID具有非接觸式識別、識別效率高、不易丟失、信息存儲豐富和安全性高等特點。UHF（超高頻）RFID除了具有RFID以上特點外，同時還具有識別距離長、精度更高、速度更快和同時讀寫多個標簽等特性，是RFID的未來發(fā)展趨勢。本文提出一種基于UHF RFID的實驗室設備管理方案，實現(xiàn)實驗室設備的優(yōu)化管理和配置、管理流程的制度化以及數(shù)據(jù)管理實時性的信息化，避免了設備的閑置浪費，簡化了管理操作流程，提高了管理的效率。本方案中使用UHF RFID標簽和超高頻天線陣列，使標簽識別的有效讀取距離保證在15米以上，基本覆蓋絕大部分的實驗室空間范圍。

二、實驗室設備管理方案概述

1.設備管理操作流程。當實驗室需要設備時，從申請、購買到入庫時會為每個設備資產(chǎn)打印一個UHF RFID標簽，并且會賦予該設備資產(chǎn)一個唯一的資產(chǎn)編號，同時將該資產(chǎn)編號與打印的UHF RFID標簽物理地址相匹配。RFID讀寫器會將該設備資產(chǎn)的設備編碼、入庫時間、校驗時間、倉儲地址和當前狀態(tài)等等重要信息寫入UHF RFID標簽中。當系統(tǒng)工作時通過超高頻天線陣列讀取輻射磁場當中的所有標簽信息，在通過有線或無線傳輸?shù)浇K端服務器，管理人員可以在終端對讀取的信息進行管理和統(tǒng)計分析，并對所有設備狀態(tài)進行監(jiān)控。

2.方案功能結(jié)構(gòu)。為了能高效科學的管理實驗室設備，本方案設計了一些用于實驗室設備管理的功能模塊，系統(tǒng)可以實現(xiàn)9個管理功能模塊：數(shù)據(jù)庫操作、標簽處理、手持設備讀寫、天線陣列讀寫、設備進出實驗室管理、統(tǒng)計分析管理、設備狀態(tài)管理、設備位置管理和設備其他數(shù)據(jù)管理，這些功能共享一個包括管理角色、標簽信息、設備信息、實驗室名稱和管理員信息等全部信息的數(shù)據(jù)庫。科學的管理方法可以減少人為的錯誤，提高管理的效率和方便獲取設備的實時狀態(tài)信息。當需要統(tǒng)計、分析或查詢特定條件下的設備信息時，只需要在客戶端輸入需查詢統(tǒng)計的條件，系統(tǒng)將自動完成統(tǒng)計查詢工作。

3.方案硬件架構(gòu)。該方案主要由安裝在各實驗室的固定高頻天線陣列、手持RFID閱讀器、移動RFID讀寫器和后端服務器平臺組成。天線陣列主要是由多個高頻閱讀天線組成，根據(jù)每間實驗室的具體情況去優(yōu)化安裝位置達到對整個實驗室的磁場覆蓋。手持閱讀器主要由UHF RFID模塊、天線、主控模塊、LCD顯示模塊、輸入模塊、通信模塊、功能指令模塊和JTAG模塊等構(gòu)成，負責讀取移動特定設備資產(chǎn)。移動RFID讀寫器主要是由RFID燒寫模塊和網(wǎng)絡模塊等構(gòu)成，主要對新的UHF RFID標簽進行信息的寫入和修改。

4.數(shù)據(jù)庫支撐。我們采用SQL Server2000數(shù)據(jù)庫作為終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐平臺，來實現(xiàn)設備管理方案的設備入庫、倉儲模塊、報表模塊、設備查詢模塊和訪問控制等功能模塊。由于RFID標簽編碼的一些基礎屬性、存儲空間有限且需要保證較快的讀寫速度，RFID標簽中只存儲有限的設備主要信息。為了便于系統(tǒng)的操作和管理，我們定義了RFID標簽的16位編碼規(guī)則：0—3位標識設備的名稱ID、4—6位標識設備的歸屬信息、7—9位標識設備的負責管理員信息和10—15位標識設備進入實驗室的相關(guān)信息。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，我們還建立了一些數(shù)據(jù)庫表，包括設備信息表、實驗室數(shù)據(jù)表和管理員數(shù)據(jù)表等等，通過主鍵創(chuàng)建各表之間的數(shù)據(jù)庫鏈接。

5.方案的部署。我們用兩間微機實驗室作為該方案試點的部署實驗，首先，UHF RFID標簽放置。我們將實驗室內(nèi)所有桌子的右上角桌面上貼上標簽，在所有臺式電腦的顯示屏后面貼上標簽。其次，超高頻天線安裝。我們在第一間實驗室的前面和后面的墻上距離地面2米高的正中心各安裝一個超高頻天線，在另一間實驗室左邊墻距離地面同樣2米高的地方安裝并排安裝兩個超高頻天線，并且這兩個天線一個向教室前方另一個向教室后方保持30度左右的傾斜。最后，網(wǎng)絡部署。我們分別部署有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡將兩間實驗室鏈接到同一個后臺終端服務器。通過部署對兩個實驗室不同的天線安裝方法中去測試各個方位標簽的讀取RSSI值，通過RSSI值得大小判斷天線磁場覆蓋范圍和讀取標簽情況，經(jīng)過多次測試和調(diào)整天線安裝位置，尋找出一種實驗室高效且節(jié)約成本的天線安裝方案。

6.方案的測試。方案的測試主要主要分為三個部分：RFID功能測試、管理功能測試和超高頻天線磁場覆蓋測試。一是RFID功能測試。主要測試RFID命令的可執(zhí)行性和執(zhí)行時間，包括讀寫器的狀態(tài)查詢、讀寫器的電源設置和獲取、標簽的識別、標簽EPC獲取、標簽RSSI獲取、標簽的數(shù)據(jù)讀寫、標簽的鎖定和解鎖、防碰撞識別性能測試和穩(wěn)定性識別等。二是管理功能測試。主要是客戶端GUI的可操作性和功能模塊的性能測試，包括設備識別、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)庫更新、系統(tǒng)配置、設備管理，以及一些系統(tǒng)的可集成性和可擴展性。三是超高頻天線磁場覆蓋測試。主要通過在實驗室邊緣極限地帶放置測試RFID標簽，測試極限情況下天線陣列讀取標簽情況和RSSI強度，通過測試結(jié)果來安排多個天線安裝放置的最佳位置。

三、結(jié)語

本文主要完成了基于UHF RFID技術(shù)的實驗室設備管理方案的理論研究、整體框架和主要功能的設計。該方案的設計是總結(jié)以往實驗室設備管理統(tǒng)計中的一些不足，運用現(xiàn)代化電子信息技術(shù)去實現(xiàn)實驗室設備的科學高效管理。這是實驗室設備管理由人工密集型向信息智能化的轉(zhuǎn)變，是管理運行模式由粗放型向集約型的轉(zhuǎn)變，大大提高了高校實驗室設備管理的效率，也提高了設備的使用率。該方案具有成本低、功能齊全、實用性強、易于操作和易于遷移等特性，這一整套方案不僅適用于實驗室設備的管理，而且同時還能推廣到企業(yè)倉儲管理、智能物流、資產(chǎn)管理、圖書館智能流通管理、公共場所安全設施管理和物聯(lián)網(wǎng)等多個平臺。

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