RFID在教學設備管理中的應用探析

王燕燕，尹曉紅，雷 天，羅 欽

（深圳技術大學 城市交通與物流學院，廣東 深圳 518118）

引言

實驗室是高校教學與科研工作的重要場所，實驗教學是高校教學的重要組成部分［1］，不斷發展和完善的實驗內容及管理方法為人才培養提供了重要保障，而設備管理是較為重要的一個環節。近幾年，高校實驗室建設速度逐漸加快，但是實驗室設備管理速度卻沒有跟上。由于實驗室設備數量龐大、種類繁多，傳統的人工出入庫與盤點速度慢、效率低，信息管理系統的使用解決了實驗室設備的統計與出入問題，但是仍需要人工操作。隨著實驗課程和創新實驗活動的增多，實驗室內的設備流通變得越來越頻繁，給實驗設備管理人員帶來很大挑戰［2］。基于RFID的位置感知技術屬于非接觸式的主動式識別技術，有著較強的跟蹤和追溯能力。將RFID標簽固定到實驗設備上，實驗室門口設置RFID閱讀器，設備在進出實驗室時可被主動讀取，自動完成錄入與出庫工作，實現設備自動定位、跟蹤，從技術上實現對設備的實時監控，從而提高實驗室設備管理的穩定性和安全性。

一、RFID技術概述

（一）RFID技術

RFID（radio frequency identification，無線射頻識別技術），即通過射頻信號自動識別電子標簽并獲取相關數據［3］，是一種非接觸式批量自動識別標簽的技術，無須在識別對象與識別器之間建立機械或光學連接。

RFID技術可同時主動批量識別一定范圍內正在移動的標簽，經常應用于貴重物品的信息溯源、數據采集、室內定位等。與藍牙、超聲波、Wi-Fi等室內定位技術相比，基于RFID的定位技術穩定性更強，維修成本更低，而且具有更強大的信號抗干擾能力，能夠有效避免信息泄露現象發生。因此，本文將RFID用于實驗室設備管理以實現設備的定位、溯源等功能。

（二）RFID位置感知系統工作原理

RFID位置感知系統主要包括閱讀器、電子標簽、管理信息系統。電子標簽由收發天線、AC/DC電路、解調電路、邏輯控制電路、存儲器和調制電路構成［4］，通過收發天線接收閱讀器的信號，并將要求的數據發送給閱讀器，分為被動標簽與主動標簽。根據使用的結構和技術不同，閱讀器可以是讀或讀寫裝置，它是RFID系統的信息控制和處理中心［5］。閱讀器通常由收發天線、頻率產生器、鎖相環、調制電路、微處理器、存儲器、解調電路和外設接口組成［6］，在一定的范圍內發送射頻能量形成電磁場。系統工作時，當電子標簽進入電磁場識別范圍后，感應到閱讀器發出的射頻信號，被動標簽憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，標簽則主動發送某一頻率的信號［7］，閱讀器讀取標簽信息后進行解碼，并通過接口與計算機進行通信，將數據發送到管理系統。

RFID標簽天線根據制造工藝、導線材質、材料結構的不同，可分成印刷天線、繞線天線、陶瓷天線等。本文的RFID技術用于實驗室設備，一般為金屬材質，且需要進行遠距離識別，結合了陶瓷天線抗金屬、遠距離讀取、耐高溫等特性，因此采用超高頻RFID陶瓷標簽。閱讀器可分為手持式與固定式兩種，本文涉及兩種閱讀器，其中固定式安裝在實驗室門口，用于設備入庫、出庫的讀取，手持式用于進行定期盤點。

二、基于RFID位置感知技術的實驗室設備管理系統方案設計

基于RFID位置感知技術的實驗室設備管理系統架構如圖1所示。感知層主要由RFID標簽、天線、RFID閱讀器組成，通過RFID標簽感知到設備信息，即將標簽貼在設備上，在每個實驗室大門附近安裝固定的閱讀器，并根據實驗室的面積和RFID識讀覆蓋面積確定安裝個數；網絡層是將感知層獲取的信息通過應用傳輸到數據庫中，以保障感知層和應用層之間的數據通信；應用層分為用戶管理應用、在線盤點應用、入庫出庫應用和數據庫，其中應用屬于人機交換的界面，數據庫則用于存儲人員信息、設備信息及設備變更信息等。

基于RFID位置感知技術的實驗室設備管理系統根據功能模塊分為RFID通道門模塊、Web端實驗設備管理模塊和便攜式設備盤點模塊。RFID通道門模塊用于實驗室設備的進出管理，采用超高頻RFID射頻技術，以發揮RFID標簽快速和批量識別、防盜報警的作用；Web端實驗設備管理模塊用于平臺的用戶管理、設備出入庫管理，以及與通道門模塊和便攜式設備盤點模塊通信；便攜式設備盤點模塊旨在實現對實驗室內設備的在線實時盤點。

在設備第一次入庫時，RFID標簽固定在對應的設備上，與通道門的閱讀器之間使用系統天線傳送特定頻率的電磁波。當貼有RFID標簽的設備進入對應實驗室時，標簽被激活并使用調制技術將標簽編號通過反射波回傳，RFID閱讀器通過天線接收到反射信息，將信息進行解調和解碼，得到標簽編號。因此，可獲取對應設備信息，啟動Web端實驗室管理模塊，后臺系統將設備信息和標簽寫入到該實驗室中，完成設備的入庫。設備出庫則應事先在Web端實驗設備管理模塊上申請，申請通過后設備搬出時，通道門可以識別設備搬出動作，完成設備的出庫；如未申請通過，設備直接搬出會觸發防盜報警。設備應定期通過便攜式設備盤點模塊進行盤點，操作者啟動便攜式設備盤點模塊，在可識別范圍內設備經過則自動完成設備盤點，并將盤點結果發送到Web端實驗設備管理模塊。三個模塊相互作用，以對設備定位和溯源。

Web端實驗設備管理模塊作為系統的主要部分，包括用戶管理應用、在線盤點應用、入庫出庫應用三個后臺應用，硬件部分包括標簽、天線、RFID閱讀器、計算機、交換機、服務器等設備。設備管理人員通過后臺可實現對實驗設備與標簽信息的綁定錄入，掌握實驗設備的狀態和具體的位置信息，防止出現設備丟失的情況。RFID標簽通過與RFID閱讀器之間的通信可以實現設備的定位。本文涉及的軟硬件結構如圖2所示。

圖2 軟硬件整體結構

三、系統實現

我們根據系統方案進行RFID通道門模塊、Web端實驗設備管理模塊、便攜式設備盤點模塊三個模塊的功能開發。

RFID通道門模塊的實現如圖3所示，可完成通道門的硬件啟動與停止，同時快速識別RFID標簽并將識別結果發送到設備管理模塊。

圖3 RFID通道門模塊

Web端實驗設備管理模塊的實現如圖4所示，可完成設備的出入庫、實驗室管理、設備管理、設備盤點等功能。

圖4 Web端實驗設備管理模塊

便攜式設備盤點模塊實現如圖5所示，可完成設備查看與設備盤點。

圖5 便攜式設備盤點模塊

實驗室設備管理是實驗教學中的重要環節。本文通過RFID位置感知技術實現了實驗設備的出入庫、盤點、定位等功能，加強了對實驗設備尤其是流動性較強的設備的管理，提高了設備管理的實時性、穩定性、準確性，有利于實驗設備管理人員快速定位設備，掌握設備狀態，大大減少了實驗管理人員的人力成本。同時，有效防止了設備丟失的情況，節約了時間成本，對實驗室設備的智能化管理具有重大意義。