基于RFID技术的智慧实训室设备管理系统研究

柳广鹏，张 晗，赵衍恒

（国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

关键字：实训室；设备管理；RFID；物联网

0 引言

智慧实训室管理系统（Intelligent Laboratory Management System，简称ILMS）主要基于信息化技术和物联网技术，实现对实训室的自动化管理[1]。目前针对实训室设备和耗材的管理普遍采用人工统计的方式将相关信息录入存档。随着实训室数量及其设备种类的增多，人工统计的方式已经无法满足管理需求。研究发现，应用信息管理系统可提高设备管理效率[2-3]，将物联网技术应用于设备管理系统中，通过使用信息感知技术及协议实现对设备的远程控制和状态监控等功能。本文基于RFID技术开发了一套智慧实训室设备管理系统，实训室管理人员借助ILMS可以对实训室设备进行便捷、高效的运维管理。

1 RFID技术

RFID技术是基于物联网感知层提出的一种无接触式的传感器技术，与物联网相辅相成，广泛应用于数据采集与身份确认、交通运输、仓储管理、物流配送等场景中。RFID技术既能进行物品识别，也可以实现感测传递、运算分析等功能。RFID以芯片为载体存储信息，在物品识别中的主要优势：读取方便、识别速度快，可扩展性、穿透性强，体积小、不易受尺寸和形状的限制，使用寿命长，部署成本低。

1.1 RFID系统组成部分

RFID系统一般由电子标签、阅读器、天线、应用软件系统4部分组成[4]。

1）电子标签（Tag）是RFID系统的重要组件，粘贴在被识别的物体上，存储与物体有关的唯一性信息。电子标签由标签天线和标签芯片组成，标签芯片是具有信号收发功能和存储功能的系统级芯片（System on Chip，简称SOC），芯片中存储着特定格式的编码数据[5]。

2）阅读器（Reader）是RFID系统处理和信息控制中心，能够以非接触的方式读取电子标签中存储的数据。阅读器与电子标签之间利用特定的通信协议进行信息传递。在开机状态下，读写器会向四周发射无线电波，当电子标签进入其读取范围时，标签利用无线电波产生感应电流，阅读器可接收标签产生的信息。

3）天线（Antenna）是阅读器和电子标签之间双向传递射频信息的载体。通过发射无线电信号为电子标签提供电能，同时也接收电子标签上发出的信息。每个电子标签中设计了微型天线，用于和阅读器进行信息传递。

4）应用软件系统包括读写器读写程序、管理软件、后台数据库。用户可通过可视化界面对电子标签中的数据进行读写操作，运用后台数据库对数据进行管理。

1.2 RFID系统工作原理

在RFID系统中，电子标签与阅读器间通过特定频率的射频信号以非接触的方式进行信息的传输、解调、解码和存储。由应用软件系统根据信息内容做出相应的处理和控制，并发出指令信号。RFID系统的工作原理如图1所示。

图1 RFID系统工作原理

RFID技术具有远距离自动识别的特性，读取距离从十几厘米到几米，其信号有效范围能够辐射到整个实训室，可以在有障碍物的情况下实现近距离读取。因此，利用RFID技术，通过阅读设备获取电子标签存储的信息，可以对实训室设备、材料等物品状态的数据信息实现非接触式自动读取，从而获取多个设备的最新状态，实现设备的精确化、智慧化和一体化管理。通过使用多种类型的终端，可以掌握设备的实时状况，大大提高设备管理效率。

2 系统设计分析

2.1 RFID标签的选择

RFID标签按照工作频率不同可以分为低频标签、高频标签、超高频标签和微波频段标签4种类型。低频标签技术成熟，具有采购成本低、传输距离长的优势，缺点是通信速度慢；超高频/微波频段标签具有抗噪能力强、体积小、传输速率快的优势，缺点是耗电量大、硬件采购成本高；高频标签具有无冲撞地并发实现信号传输的优势，通过使用ISO14443A/B或Felica协议，允许信息自定义写入标签。综合考虑实训室的布局、易用性、系统成本等因素，选择使用高频标签。

实训室设备按照“集中存放，统一保管”的原则进行管理。标签需要被粘贴到实训设备表面，为了方便阅读器能够快速稳定地获取标签信息，应选择易于被折且具有全向或者半球辐射性能的标签。在标签中为设备设置时间戳，并根据设备使用和折旧情况管理固定资产。

2.2 RFID阅读器的选择

RFID阅读器可以通过不间断发送无线射频信号，以非接触的方式识别并读取标签中存储的信息。阅读器由射频接口单元和逻辑控制单元两大模块构成。射频接口单元主要发送、接收及调制射频信号；逻辑控制单元主要完成信号的编解码、数据存储处理以及与主机之间的通信。

RFID阅读器主要有固定式和手持式两种。固定式阅读器采用外置式天线，体积较大，不便于直接携带，但信号收发能力强，能够实现远距离的标签识别及标签信息改写；手持式阅读器采用隐藏式天线，体积小巧，便于携带，但天线灵敏度较弱，只能用来进行近距离的标签识别。

RFID阅读器与主机系统进行信息传递的方式包括有线传递和无线传递两种。有线传递主要通过RS458或RS232接口完成，无线传递主要通过Bluetooth或Wlan方式完成。

根据实训室管理需要，手持式和固定式两种阅读器配合使用，并采用无线方式进行数据传输。

2.3 应用软件系统的设计

实训室管理软件系统记录设备及耗材使用的全部流程，实现信息的实时更新与共享。应用软件系统开发遵循实用性、安全性、容错性、可靠性和可扩展性的原则。

2.3.1 软件系统部署方式

目前，常用的软件架构有客户端/服务器（Client/Server，简称C/S）和浏览器/服务器（Brower/Server，简称B/S）两种方式[6]。

C/S方式下，服务器通常采用高性能的主机，安装Oracle、Sybase、Informix和SQL Server等数据库，需要开发专用客户端软件并部署在客户端。C/S方式的优点是结构简单，支持分布式、并发环境，能够有效提高资源的利用率和共享程度，便于服务器集中管理资源，有利于权限控制和系统安全，可扩展性较好，可单独对客户端或服务器进行升级。但是，C/S方式也存在一定局限性，例如不易部署、维护困难等。

B/S方式下，客户机只需安装一个浏览器，如Google Chrome或Internet Explorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix和SQL Server等数据库。浏览器通过Web Server与数据库进行数据交互。B/S方式的优点是分布式，易扩展、共享性强。与C/S方式相比，B/S方式更易部署，便于维护，响应速度快，不需要设计特定的硬件网络环境。

B/S方式能够满足实训室设备及耗材管理的要求，便于后续功能开发和系统升级。因此，结合实训室管理需求，本研究采用B/S方式构建基于RFID技术的实训室设备管理系统。该系统主要面向设备管理人员与教师，利用学校现有的服务器设备及校园通信网络，可以降低开发成本，提高系统开发效率。

2.3.2 软件系统帐号权限设定

在软件系统中，不同管理角色具有不同的权限。根据系统使用过程中各类管理人员的操作需求，设置超级管理员、主管领导、仓库管理员和实训室管理员4种不同类型的账户。

1）超级管理员具有系统级的操作权限，对不同权限的用户进行管理，同时进行系统管理操作。

2）主管领导对用户提出的申请进行审核、审批操作。

3）仓库管理员对设备及耗材的入库、分发、盘点等进行管理操作。

4）实训室管理员对设备的维修、报废、折旧、盘点以及耗材的领用等进行管理操作。

2.3.3 软件系统功能模块设计

根据实训室的实际管理需求，本研究主要设计了5个功能模块，分别为用户管理、采购管理、库存管理、设备管理和基础数据管理。基于RFID的实训室设备管理系统功能模块如图2所示，用户管理模块实现用户基本信息维护和角色管理，根据不同的用户角色分配相应管理权限；采购管理模块实现采购计划申请、主管领导审批，并在审核通过后对申请进行汇总；库存管理模块实现物资、耗材的入库、出库、回收、报废、盘点管理，随时更新仓库信息；设备管理模块实现设备信息维护、折旧管理；基础数据管理模块实现供应商、生产厂家、科室名称、设备安全责任人等信息的维护。

图2 基于RFID的实训室设备管理系统功能模块

3 系统整体架构

基于RFID的实训室设备管理系统依照物联网层次结构分为3层，自下向上依次为感知层、网络层和应用层，如图3所示。

图3 实训室设备管理系统整体架构

3.1 感知层

感知层设备是RFID设备管理系统的核心，也是信息采集的关键部分，由电子标签、读写器等系统组成，主要功能是识别物体、采集信息。

3.1.1 电子标签

采用EPC（Electronic Product Code，简称EPC）编码方式对设备上粘贴的电子标签进行数据编码。EPC编码原则主要有：

1）每个编码能够唯一标识一个标签。

2）编码一旦被分配后不允许再次更改。

3）编码方式简单且易于实现。

4）留有足够空间用于编码扩展。

3.1.2 读写器系统

读写器系统位于应用系统和系统软件之间，使用系统软件所提供的基础服务功能，从感知层获取数据，包括电子标签读写器和数据库服务器两个部分。其中，电子标签读写器能够读取标签中存储的信息，将采集到的信息按照特有格式转换并进行存储和传输；数据库服务器能够对电子标签读写器传输过来的信息进行存储、比对。

3.2 网络层

读写模块可以通过无线或有线网络将存储的数据传输到后台管理系统。使用实训室现有的网络环境，采用无线和有线相结合的方式进行数据传递。

3.3 应用层

3.3.1 应用软件系统

应用软件系统基于RFID技术，通过阅读电子标签实现设备快速盘点、自动借还功能；根据设备的不同类型，设置相应的折旧方法，统计设备折旧情况，便于设备报废及更新。此外，系统增加了与之配套的管理系统界面，各个功能模块的界面设计保持一致的风格，操作简单便捷。

3.3.2 数据库管理系统

数据库管理系统中存储大量数据，例如设备编号、名称、厂商、采购日期、存放地点等，根据系统功能需要，设置8张数据表用于信息存储，包括设备信息表、设备借用信息表、设备归还信息表、设备维修记录表、设备报废记录表、用户信息表、管理员信息表和实训室信息表。

1）设备信息表存储设备的基本信息，包括设备编号、设备电子标签编号、设备名称、生产厂商、生产日期、价格、所在实验室、读写器编号、入库登记人、入库日期、是否在库、是否在用、是否报废、是否维修、被借次数等。

2）设备借用信息表记录用户借用设备的相关信息，包括借用编号、用户编号、设备编号、借用时间、应该归还时间、借用操作员等。

3）设备归还信息表记录用户归还设备的相关信息，包括归还编号、用户编号、设备编号、借用时间、归还时间、归还操作员等。

4）设备维修记录表记录设备维修的相关信息，包括维修记录编号、设备编号、所在实验室、维修登记人、维修日期、维修原因等。

5）设备报废记录表记录设备报废情况，包括报废记录编号、设备编号、所在实验室、报废登记人、报废日期、报废原因等。

6）用户信息表记录系统普通用户的详细信息，包括用户编号、用户名称、用户密码、用户昵称、用户邮箱、用户类别、借用次数等。

7）管理员信息表记录各实训室管理员的详细信息，包括管理员编号、管理员名称、管理员密码、所属实训室、管理员权限等。

8）实训室信息表记录实训室的基本信息，包括实训室编号、实训室管理员、实训室名称、实训室地点、实训室开放时间等。

4 结语

为了满足培训教学及科研需求，提高实训室管理水平，本研究利用RFID技术，构建了一套普适、高效的实训室设备管理系统。管理人员通过可视化界面可实现对实训室设备和耗材的精准高效管理。在后续的研究中，可以引入Z-Wave技术实时采集监控实验室的温度、湿度等环境信息；采用更为成熟的软件开发工具及框架，完善各部分流程、功能模块、数据库等，增加即时打印功能，以进一步提升实训室管理水平。