基于UHF RFID技术的高校实验室设备的管理方案

黄振江

摘 要：传统的实验室设备管理主要是以手工的方式人工地去统计和管理，这样的管理方式效率低下且不合乎现代管理思想。现代化高效率的实验室设备管理方案应该将设备被主动式识别、位置识别和资产状态维护与识别集成在一起。为了实现这一目标，引入高频RFID（UHF RFID）技术和使用高频天线阵列，通过有源高频天线阵列实时读取实验室房间范围内UHF RFID标签，并通过标签返回RSSI信号的强弱来评估资产当前位置。最后，将读取到的标签信息实时经无线或有线网络传送到服务器端完成后端的监控和数据统计等功能。该设计方案可以提高管理的效率和降低部署成本，同时可以扩展到仓储管理、智能物流、资产管理和物联网等领域。

关键词：UHF RFID;实验室设备管理;高频天线阵列;高效率

中图分类号：G647.6        文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2019）12-0192-02

一、各高校实验室设备管理现状

实验室设备管理操作包括从设备的申购、购买、仓储、使用、维护、盘查到报废整个资产的生命周期。目前各高校实验室设备管理的现状是：实验设备、实验仪器和相关资料的使用频率高部分流动性大，并且总体数量、分布情况、仪器状态等基础信息数量庞大，通过常规的方法和人工的手段去盘查和登记，这样原始的管理方法需要大量的人力和财力去盘查、登记和检验设备的完好率。由于近年来物联网技术和射频识别RFID技术的不断发展，在仓储、物流和其他行业管理中正在引起一场管理技术性的革命。RFID具有非接触式识别、识别效率高、不易丢失、信息存储丰富和安全性高等特点。UHF（超高频）RFID除了具有RFID以上特点外，同时还具有识别距离长、精度更高、速度更快和同时读写多个标签等特性，是RFID的未来发展趋势。本文提出一种基于UHF RFID的实验室设备管理方案，实现实验室设备的优化管理和配置、管理流程的制度化以及数据管理实时性的信息化，避免了设备的闲置浪费，简化了管理操作流程，提高了管理的效率。本方案中使用UHF RFID标签和超高频天线阵列，使标签识别的有效读取距离保证在15米以上，基本覆盖绝大部分的实验室空间范围。

二、实验室设备管理方案概述

1.设备管理操作流程。当实验室需要设备时，从申请、购买到入库时会为每个设备资产打印一个UHF RFID标签，并且会赋予该设备资产一个唯一的资产编号，同时将该资产编号与打印的UHF RFID标签物理地址相匹配。RFID读写器会将该设备资产的设备编码、入库时间、校验时间、仓储地址和当前状态等等重要信息写入UHF RFID标签中。当系统工作时通过超高频天线阵列读取辐射磁场当中的所有标签信息，在通过有线或无线传输到终端服务器，管理人员可以在终端对读取的信息进行管理和统计分析，并对所有设备状态进行监控。

2.方案功能结构。为了能高效科学的管理实验室设备，本方案设计了一些用于实验室设备管理的功能模块，系统可以实现9个管理功能模块：数据库操作、标签处理、手持设备读写、天线阵列读写、设备进出实验室管理、统计分析管理、设备状态管理、设备位置管理和设备其他数据管理，这些功能共享一个包括管理角色、标签信息、设备信息、实验室名称和管理员信息等全部信息的数据库。科学的管理方法可以减少人为的错误，提高管理的效率和方便获取设备的实时状态信息。当需要统计、分析或查询特定条件下的设备信息时，只需要在客户端输入需查询统计的条件，系统将自动完成统计查询工作。

3.方案硬件架构。该方案主要由安装在各实验室的固定高频天线阵列、手持RFID阅读器、移动RFID读写器和后端服务器平台组成。天线阵列主要是由多个高频阅读天线组成，根据每间实验室的具体情况去优化安装位置达到对整个实验室的磁场覆盖。手持阅读器主要由UHF RFID模块、天线、主控模块、LCD显示模块、输入模块、通信模块、功能指令模塊和JTAG模块等构成，负责读取移动特定设备资产。移动RFID读写器主要是由RFID烧写模块和网络模块等构成，主要对新的UHF RFID标签进行信息的写入和修改。

4.数据库支撑。我们采用SQL Server2000数据库作为终端系统的数据支撑平台，来实现设备管理方案的设备入库、仓储模块、报表模块、设备查询模块和访问控制等功能模块。由于RFID标签编码的一些基础属性、存储空间有限且需要保证较快的读写速度，RFID标签中只存储有限的设备主要信息。为了便于系统的操作和管理，我们定义了RFID标签的16位编码规则：0—3位标识设备的名称ID、4—6位标识设备的归属信息、7—9位标识设备的负责管理员信息和10—15位标识设备进入实验室的相关信息。根据系统的功能需求，我们还建立了一些数据库表，包括设备信息表、实验室数据表和管理员数据表等等，通过主键创建各表之间的数据库链接。

5.方案的部署。我们用两间微机实验室作为该方案试点的部署实验，首先，UHF RFID标签放置。我们将实验室内所有桌子的右上角桌面上贴上标签，在所有台式电脑的显示屏后面贴上标签。其次，超高频天线安装。我们在第一间实验室的前面和后面的墙上距离地面2米高的正中心各安装一个超高频天线，在另一间实验室左边墙距离地面同样2米高的地方安装并排安装两个超高频天线，并且这两个天线一个向教室前方另一个向教室后方保持30度左右的倾斜。最后，网络部署。我们分别部署有线网络和无线网络将两间实验室链接到同一个后台终端服务器。通过部署对两个实验室不同的天线安装方法中去测试各个方位标签的读取RSSI值，通过RSSI值得大小判断天线磁场覆盖范围和读取标签情况，经过多次测试和调整天线安装位置，寻找出一种实验室高效且节约成本的天线安装方案。

6.方案的测试。方案的测试主要主要分为三个部分：RFID功能测试、管理功能测试和超高频天线磁场覆盖测试。一是RFID功能测试。主要测试RFID命令的可执行性和执行时间，包括读写器的状态查询、读写器的电源设置和获取、标签的识别、标签EPC获取、标签RSSI获取、标签的数据读写、标签的锁定和解锁、防碰撞识别性能测试和稳定性识别等。二是管理功能测试。主要是客户端GUI的可操作性和功能模块的性能测试，包括设备识别、数据收集、数据库更新、系统配置、设备管理，以及一些系统的可集成性和可扩展性。三是超高频天线磁场覆盖测试。主要通过在实验室边缘极限地带放置测试RFID标签，测试极限情况下天线阵列读取标签情况和RSSI强度，通过测试结果来安排多个天线安装放置的最佳位置。

三、结语

本文主要完成了基于UHF RFID技术的实验室设备管理方案的理论研究、整体框架和主要功能的设计。该方案的设计是总结以往实验室设备管理统计中的一些不足，运用现代化电子信息技术去实现实验室设备的科学高效管理。这是实验室设备管理由人工密集型向信息智能化的转变，是管理运行模式由粗放型向集约型的转变，大大提高了高校实验室设备管理的效率，也提高了设备的使用率。该方案具有成本低、功能齐全、实用性强、易于操作和易于迁移等特性，这一整套方案不仅适用于实验室设备的管理，而且同时还能推广到企业仓储管理、智能物流、资产管理、图书馆智能流通管理、公共场所安全设施管理和物联网等多个平台。

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