高校实验室RFID技术的应用

周少珂 邓淼磊

摘要：RFID（Radio Frequency Identification ，RFID）技术是物联网感知层中一种重要的数据信息采集技术，可在无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，为使该技术更好的服务于高校实验室管理，首先简述了RFID技术基本工作原理；并对实验室架设和管理进行了详细说明；继而对该系统与传统实验室管理模式进行了比较，得出了新系统引入对高校实验室管理工作所带来的便捷、高效等诸多优势；最后对该技术进行了展望，以期借助于RFID技术更好的实现实验室管理的自动化、智能化。

关键词：RFID；实验室；标签；读写器；技术应用

中图分类号：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

当前，随着高校教育事业进化格局的相继确立，高校实验室的建设发展也逐渐提升至战略突出地位，在立足培养学生理论学习的同时更加重视学生的动手能力[1- 2]。为此，各家高校也随即结合自身情况和背景优势，大量采购和配置设备，使得实验室建设中的实验设备种类和数量也正日臻高端与完善，但与此相伴而生的却是发现，传统形式的实验室管理（大部分采用人工化、纸质化、计算机半自动化）方面的缺点则日益凸显，关键问题主要集中在如下方面：

1）实验室管理员无法对教师授课和学生上课等环节配备实时记录；

2）实验设备利用率不高；

3）实验设备在借出、归还管理方面较为繁杂，未能做到实时性规范跟进，人工操作容易产生失误；

4）在对实验设备提供维修和更换时易导致管理混乱；

5）对实验设备的丢失无法实施搞笑督查，而且设备的丢失也给高校带来了可观财政耗费[3- 4]。

综上问题探索可知，传统实验室管理的方式变革已势在必行，物联网RFID（Radio Frequency Identification ， RFID）技术的应用则顺应了未来研发设计的潮流方向[1， 5- 6]。基于这一研究背景，本文对RFID技术应用于高校实验室管理工作的基本原理和具体实现给出了深入的分析和详细的阐述。

1 RFID技术及其工作原理

无线射频识别的原理过程是一种非接触式的自动识别技术，可通过射频信号自动识别特定的目标对象并获取相关的数据信息[7]，即RFID技术将无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，而是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，进而通过所传递的信息达到识别目的的技术[8]，考虑到系统成本问题，RFID系统采用低频、无源的成熟技术[9]。

RFID系统主要由三部分组成：读写器、标签、应用系统，组成结构如图1所示。其中，读写器（Reader）又名阅读器或识别器，标签（Tag）又名应答器，两者均由天线、耦合元件和芯片组成，其中每一个电子标签具有唯一一个可识别的电子编码（code），此标签附着在物体上用来识别目标对象；应用系统即把数据进一步处理的应用层软件和中间件[10]。

图1 RFID系统组成

Fig.1 RFID System and Components

RFID技术工作原理如图2所示。RFID系统通过产生无线射频信号以电磁波的形式利用读写器的天线发射出去，电子标签如果在无线信号场发射范围内就会借助标签天线接收信号，标签内部的耦合元件和读写器之间的耦合元件将基于电磁感应产生感应电流，进而激活标签内部芯片，产生的感应电流使标签获得能量。当标签获得能量后，数据同样以无线信号通过标签的内置天线回传给读写器天线接收。读写器天线接收到信号后即会传给读写器，数据在读写器内部完成解码和解调，并将最终计算机可以识别的二进制数据传送给应用系统，最后计算机后台应用系统则将定制执行有关数据的管理和指令操作[11]。

2 实验室中RFID系统的管理

传统实验室管理中，大部分工作均需交付人工进行记录与操作，随着科技的进步实验室的管理也引入了自动化，但是这种自动化却并非真正意义的自动化，只是利用电脑和网络对一些工作增加了简单的记录、查询。因此，为了真正意义上能够提高工作人员的效率及资源的利用率等，就需要在实验室中架设RFID系统，如图3所示。

2.1门禁管理系统

传统的实验室都由人工来控制管理，人工开关实验室的安全门。每次使用实验室都需要向实验室管理员提交预约、申请和登记等，工作流程杂，而且也消耗了老师、学生的大量时间，导致某些实验不能及时操作完成，老师和学生们的工作效率也随即受到重大影响。此外，人工管理也易出现疏漏，诸如贵重设备的减毁即会造成无法估量的损失[12- 13]。为克服以上问题，将RFID技术引入门禁系统后应详加考虑如下事项：

1）在进入实验室的门口处安装RFID系统的读写器天线装置，管理员、教师可以使用带有标签装置的工作证，学生可以使用校园一卡通，在每次进入实验室时可以分别刷卡，并予通过后放行。这样既可以防止外来人员的非法出入，又可以保证实验室内的设备安全。

2）在进门处的正上方墙顶可以安装高清摄像头和报警装置。如果遇到一些强行进入的人员，摄像头可以时时采集入口处人员的影像画面，传给后台管理员的监控系统数据库，并及时发出警报，使管理员及时采取措施形成安全处理，以减少财产损失。

同时，每次教师、学生在刷卡进入实验室时，读写器会自动记录各次进入的教工编号或学号、性别、学院、专业、日期等信息，并将该信息及时传送给后台数据库，使拥有相应权限的管理员进行定时查询和管理，便于教师、学生的考勤。

2.2设备管理系统

实验室管理中位居显要、且涉及最大工作量的环节就是设备管理，现对其按如下方面给出描述阐述。

2.2.1设备的录入和借出

如今，在高校发展的同事，其硬件的配备也正日益完善，尤其是在各个院系的实验室中，实验设备无论从种类还是数量上都在不断的增加与持续优化中。但是随之而来的一些问题也逐渐暴露，单纯地把各类设备利用人工录入到管理员电脑中的这种半自动化操作模式已经滞后于时代前进步伐，因此，为了提高管理工作效率，即可在每种购进设备和细小的部件中贴上无源的电子标签。电子标签可以写入设备的名称、类型、型号、生产日期、生产商、所在实验室等等一系列属性信息。管理员可以使用固定读写器或者手持式便携读写器等设备直接一次性完整扫描录入，录入后所有的设备数据都会自动传输到管理员后台的数据库管理系统，以此来减轻管理人员在设备录入时的工作量。

传统实验室缺少实验器材时，便会直接向学校上级部门提出申报，但却并不排除其它实验室已配有该设备或类似设备的可能，这样就造成了重复购置相同设备的资金浪费，但时下，通过RFID系统，各个实验室即可协同网络连接，实现信息共享，以便及时了解相关实验室具体的设备信息，由此则储备有目标设备的实验室便可通过读写器扫描，在后台数据库进行数据信息变更，将其标识为借出状态，进而集成限定了实验室设备的有效使用与借出。

2.2.2设备的维护和调配

每年实验室的设备损坏和不同实验室间调配多是类属寻常，因此，设备的维护和调配也是设备管理流程中的又一重要环节。

当相同种类的设备发生损坏，甚至如果毁坏的数量超出常规，仅是单纯的记录就可能堪称为一项巨大的工作量。因此在RFID系统中，每种设备或者同种设备之间都可以粘贴电子标签。即使同形同款设备损坏时，只要管理人员持读写装置进行标签扫描即可知道此设备的具体信息，利于清晰区别，进行方便的维护。

实验室之间根据学院的安排和使用需要，再不同设备之间或者小部件之间进行调配，虽然提高了资源利用率，但是却于无形中为日后的设备清查和整理中带来了极大的麻烦和工作量。因此，在RFID系统中，即便小到任何一个部件，都可以贴上电子标签，并对信息真实录入，当在不同实验室或者不同楼宇间进行调配时，就可更新、记录有关信息，这样对于设备自身就能获得一个时时跟踪的效果。

2.2.3设备的清查和处理

每当学校上级部门开展资产清查时，常常就是实验室工作量激增、且紧急繁琐的时候，而且人工统计也未必精确完整，可能会遗下一些纰漏。因此在使用RFID系统后，工作人员只要携带手持式读写装置，在实验室中行进巡视一圈，该范围内的全部设备信息都会重新读取，并及时传输到后台的数据库管理系统，最终工作人员根据后台数据进行核对、统计即可。

统计后，再将相关信息及时上报给学校，等待学校对设备的处理指示，若存在问题也可追踪锁定。这在相当程度上利于学校设备的构建与实现。

2.3实验室管理员、教师、学生管理系统

在实验室管理员、教师、学生3种不同身份的人群中，赋予不同的权限进行各自操作。实验管理员，即系统管理员拥有该系统管理的最高权限，可以实时查询系统的平台统计数据，如：实验室设备信息、教师上课信息、学生上课信息、课程信息等等一系列信息。教师则具有系统设定的基本权限如：查询实验室空闲的信息、学生上课的情况信息、学生实验课程分数信息、学生选修该课程信息等。而此外的学生则仅有一些特定简单的权限如：查询实验室空闲的信息、学生在哪个实验室上课信息、学生本人于某课程考核分数信息等。

在此基础上，为了提高实验室设备的利用率，就要给教师、学生提供尽可能充分的实验开展及调度空间。在RFID系统中，学生可以在无教师管理的情形条件下，只要能够出具合法的工作证或者校园一卡通等标签设备，就可以在闲时去实验室反复深入钻研实验，若是设备损坏或者丢失，数据库系统也可以进行即时详尽记录，发挥定位追踪的效果[14]，这样也进一步减轻了实验室管理人员的日常工作负荷。

2.4后勤管理系统

实验室中，各种实验设备种类繁多，数量庞大。非专业仪器如：照明器械、空调、开关、摄像头、温湿度传感器等，这些仪器的耗损不可避免，然而通过传统管理流程给学校后勤打电话或通过网上留言进行报修则必将经历冗长周期，而且如果后勤人员还未能准确理解破损设备的类型和型号，则无疑将影响解决问题的效率。

因此，在后勤管理系统中，RFID系统的应用系统组成部分和后勤相关部门网形成一个局域网络。可以在局域网内架设一些数据库服务器，使实验室和后勤部门及时查询到数据库中需要维护报修的设备。具体实现的工作原理如下：

1）实验室中无论专业或者非专业设备仪器，都在其上贴附电子标签。电子标签是可以读写信息的，可以把设备信息如：设备名称、设备类型、设备编号、出厂日期、质保时间、所在实验室等信息录入标签；

2）当设备录入数据库系统时，可以通过管理员的手持终端或者固定装置读写器针对标签设备实施操作，最终传输到后台的计算机应用系统；

3）当实验室某种设备损坏或者丢失时，一方面实验室警报装置会发出报警信号传给后台管理系统，使管理人员第一时间察觉发现。另一方面，设备的损坏或者丢失信息会通过读写器同步同时传给实验室管理员和后勤工作人员。由此，即达成了实验室工作人员和后勤人员的无误差沟通，现实促进了实验室和后勤两部门的准确无缝衔接，从而显著提升了各部门的工作效率。

2.5数据库管理系统

无论是任何企业或单位，数据信息的管理都是举足轻重的和新焦点，数据的丢失、泄露、窃取都将给企业或单位带来不可估量的损失，因此在RFID系统的组成部分—应用软件系统中，数据库管理系统也将成为至关重要的研发设计主题内容。

数据库记录了各种关键的数据，传统模式“人工纸质化加计算机系统半自动化”已经无法满足高校实验室的发展。随着时代进步，设备的种类和数量会越来越多，这也就使得数据库的数据也呈现出海量性质，因此就需要在大量数据的基础上加以优化、组合、分类[15]，并在时下的大数据和云计算基础上对数据库实行聚合集成处理，以增强数据库功能，进而提高系统的性能。

3 RFID系统优势

随着智能园区、智慧医疗、智能学习、智慧物流、智慧生活、智慧建筑迅速兴起，高校实验室使用物联网RFID技术使实验室也将趋于智能发展未来。

传统的实验室管理很大程度上都是采取人工方式或人工和计算机相结合的半自动的方式，因而在管理上面仍然需要大量的人工统计与操作。不仅需要耗费大量时间，而且必要时相关人员还要以加班的方式去核算统计信息，因而某一刻的疏漏就会导致信息统计出现差池。将RFID技术引入高校实验室，除了可以重点减轻工作人员的承载压力，相同的工作量只需少数人便可完成，主要表现即是在信息统计上通过非人工操作可以自动感知获取，因而优势控制并降低了人工操作产生的误差。还有就是也更为显著提高了教学、实验室、学生、后勤等相关部门的关联配合默契度，最大限度地改善了工作效率。

表1 RFID系统与传统模式管理对比

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

RFID系统管理 传统模式管理

工作人员 少 多

工作时间 少 多

投入成本 高 低

设备利用率 高 低

部门间配合效率 高 低

设备去向追踪 是 否

设备信息感知 是 否

统计误差产生 否 是

4 结束语

时下研究可知，实验室管理要想获得一个变革性的发展就需要在技术上取得重大突破，RFID技术的应用就从根本上提高了管理人员的工作效率，并且全面减轻了工作人员的工作量。

工作人员只要携带手持式便携读写器或者把设备置遇读写器附近，读写器就可以感知设备，同时读取设备的相关信息，进而通过一定方式传给计算机应用系统中的数据库。无需人工参与操作则在杜绝重复性操作的同时，也将有效削减人工操作带来的误差。

然而现在RFID技术的应用生产成本偏高，其系统组成中读写器和标签成本也价值不菲[16]，这一因素无疑制约了该技术在高校实验室中的应用。因此，在未来RFID技术的发展过程中的首要一点就是要控制生产成本。标签技术包括无源标签、半无源标签、有源标签。其中，无源标签技术在国内市场已臻成熟，且其使用成本较低，但现实传输数据距离却略短。而半无源标签、有源标签因其内部的组成和原理与无源不同，则使得价格相对较高，但其传输数据距离长度上却呈现优势。其后，在未来的发展中要想使技术更加忒进实用市场化，就要一方面降低生产成本，另一方面又要改进RFID系统工作时的理想可读写距离[17]。

基于此，在下一步的RFID系统研究发展中需要集中关注考虑如下问题：

1）生产投入成本降低，提升该技术在市场中的应用；

2）标签技术在半无源、有源方面的工艺更趋完善，从而使标签使用寿命更长，生产成本更低，制作工艺更加高级；

3）读写器技术的升级需使得该设备使用更加便捷，外观设计更加灵巧，信号工作范围更加广泛，由此而免除某些因地势、金属、障碍物等因素产生的不良影响；

4）计算机应用系统开发和设计上也会更为推崇优化升级。如今RFID系统在中国没有统一标准，各个生产商都遵循自己制定的规则，使得当下许多RFID系统和后台软件系统或者中间件都难以实现兼容。未来RFID系统在统一的标准下，计算机应用系统等都会着力打造共享兼容，整个体系都将呈现更高档位的协调运转。

综上，本文设计成果若付诸实践，可使得人员的参与比例大大降低，工作效率将大幅提高，同时工作中的差错率得到有效控制，高校实验室运行也将更趋规范，为新时代高校建设与发展提供了可行基础与实用依据。

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