基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統

鐘 維

（福州大學，福州 350000）

近年來隨著科技生產力的迅速發展，社會信息化程度越來越高，高校教育的規模也越來越大，然而多數高校實驗室設備管理效率低下，出入庫管理和庫存管理都要依靠管理員手動執行。課題組下面的實驗室與實驗室之間設備信息和數據查詢沒有同步共享。射頻識別技術（RFID）可以同時掃描目標區域內多個標簽，RFID 標簽有特定的ID，將ID 和設備信息對應起來，可以查看設備狀態。

RFID 技術的來源是早期雷達的概念經過不斷發展形成了如今的RFID 技術[1]。早期的倉儲信息管理完全依靠人工[2]。

我國的高校教育開始進入提質階段，其重點強調培養當代大學生實踐動手能力和創新意識[3]。課題組下有多個實驗室，這些實驗室分布在不同的校區，雖然最開始設備的分布信息在課題組有備份，但因為沒有一個完整的系統管理，而學生的科研方向不同，使用這些設備后就將其留在當地，慢慢地這些設備的分布信息就不明確了，造成管理困難。課題組的科學技術研究需采購儀器設備及實驗室之間的設備調動，全部由人工管理，效率低下。實驗室的精密儀器設備較多，需要能實時了解設備位置信息。

基于超高頻的實驗室設備管理系統的設計，使用超高頻RFID 電子標簽作為每個設備的標識，電子標簽成本低，不易損壞，同時超高頻電子標簽讀取距離遠，設備統計效率更高。一方面可以更加方便地對實驗室設備進行現代化的管理；另一方面，良好的系統設計，每個實驗室都有1 個采集客戶端，加快檢索和查找速度，很大程度上提高了設備使用的效率。解決了設備智能化管理的問題。

1 RFID 技術的構成

目前，在智能識別和自動控制領域，RFID 技術開始被廣泛應用[4]。射頻識別技術是通過空間耦合實現無接觸信息傳遞的技術[5]。RFID 系統的分類由不同的工作頻段劃分，由于各個頻段的工作原理有所不同，系統的讀取距離、識別速度、環境影響和標簽類型都有所不同，應用在不同的領域。本文對RFID 技術原理和應用選擇進行說明。

1.1 RFID 系統構成

RFID 系統包括RFID 電子標簽、讀寫器天線、讀寫器和應用軟件[6]。RFID 電子標簽的作用是記錄一串字符信息，這些信息存在加密協議。天線是信號的接收源和發射源，信號的傳輸距離和天線的增益成正比。讀寫器負責與電子標簽通信，接收上位機系統的操作指令，完成標簽信息的數據讀寫。RFID 系統工作如圖1所示。

圖1 RFID 系統工作圖

讀寫器和RFID 電子標簽又合稱為響應模塊。響應模塊內部的工作過程是讀寫器收到命令后，讀寫器天線向周圍發射信號，因為本系統使用的是無源標簽，無源標簽本身不產生信號，收到天線發射的信號后，內部的芯片激活，同樣向周圍發送信號，這些信號里有標簽的信息，里面有標簽ID 的字符信息，讀寫器再解碼這些信息。響應模塊的作用是接收上層應用軟件發送過來的數據信息，在響應模塊內部完成處理，也就是讀寫器和標簽之間完成數據交換。最后應用軟件得到了標簽信息。

1.2 RFID 系統工作頻段劃分

國際電信聯盟對無線電頻段作了詳細劃分，在RFID 系統中，常用的有低頻、高頻和超高頻3 個頻率范圍。表1 給出了RFID 系統在不同國家地區3 個頻段的劃分，以及對應的應用場景。

表1 RFID 系統頻段劃分及應用

由表1 可知，低頻的2 個主要頻率是125 kHz 和134.2 kHz，低頻系統信號傳輸慢，但是相對穩定，適合穩定且讀取距離短的應用，一般應用在牧場動物上。而在高頻階段，應用最廣泛的頻率是13.56 MHz，高頻信號的穿透力較強，但是衰減得很快，所以應用場景是識別距離較短的同時抗干擾較強的，如供應鏈管理。與上述2 個頻段有所不同的是，超高頻的技術還在繼續發展，全世界沒有統一的頻段標準。與高頻的工作方式不同，超高頻是通過電場來傳輸能量，傳輸距離遠，可以在短時間內讀取大量的電子標簽。但穿透能力較弱，不能透過水和金屬，主要通過電容耦合的方式實現。應用于后勤管理系統、鐵路包裹的管理等。

在本系統中，每個設備都貼附1 個RFID 標簽，標簽有唯一ID 的數據信息，閱讀器讀取到標簽信息后，傳輸給上位機，上位機再根據這些信息與系統數據庫中設備表的設備匹配，進而得到全部信息。而超高頻RFID電子標簽存儲的數據量大、體積小、價格低，可以很好地貼在設備上，降低成本。因此，本課題開發的實驗室設備管理系統將基于超高頻射頻識別技術展開研究。

2 基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統設計

2.1 系統架構設計

2.1.1 整體架構設計

本系統的整體架構分為3 層，從底層向上是信息采集、網絡通信及應用層的業務邏輯處理。系統整體架構圖如圖2 所示。

圖2 系統整體架構圖

物聯網三層架構第一層為感知層，也就是信息采集層，本系統使用超高頻RFID 閱讀器采集標簽數據信息，讀取的標簽ID 作為設備標識。感知層獲取完信息后，將信息傳輸給上一層；網絡層作為物聯網三層架構的中間層，主要的作用是采集層與應用層的通信。最頂層是應用層，接收網絡層傳輸過來的信息，處理業務邏輯，包括系統管理功能和出入庫管理，然后將處理好的業務信息返回給網絡層，實現一個雙工通信。

2.1.2 技術架構設計

超高頻RFID 設備管理系統典范的MVC 模式，采用JavaEE 的 SSM（Spring+SpringMVC+Mybatis）集成框架來搭建。如圖3 所示為技術架構圖。

MVC 模式表示的是模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller），MVC 程序的工作流程是：表現層內是View 頁面向Controller 控制器發送請求，通過業務邏輯層的業務處理，找到相應的Model 處理，處理完畢后再將處理結果返回到View 頁面。

2.2 系統功能模塊設計

基于超高頻的設備管理系統設計了設備信息模塊、設備管理模塊和系統管理模塊3 大模塊。

2.2.1 設備信息模塊

本系統的信息采集和信息查詢為設備信息功能，記錄的用戶都能使用：（1）信息采集功能。每個設備上都有一個超高頻RFID 標簽，RFID 閱讀器讀取的標簽ID 作為設備的唯一標識，搜集到的RSSI 指紋作為設備室內定位的信息。（2）狀態查詢功能。查詢實驗室登記設備的使用狀態。（3）室內定位功能。將采集到的RSSI（接收信號強度）輸入改進的LANDMARC 定位算法中，得到預測結果，并將這個結果返回給系統。

設備查看狀態功能時序圖如圖4 所示。

圖4 設備查看狀態時序圖

2.2.2 設備管理模塊

設備管理模塊實現的功能是應對實驗室設備管理系統的業務邏輯，管理員才能使用：（1）出庫管理功能。廢舊設備淘汰和實驗室之間的設備調動都會有設備出庫，采集錄入設備信息并標記通信模塊特征。（2）入庫管理功能。實驗室采購的新設備和實驗室之間的調動都會有設備入庫。（3）庫存盤點功能。統計實驗室內設備的種類、庫存數量和資產總值。

入庫管理功能時序圖，如圖5 所示。

圖5 入庫功能時序圖

2.2.3 系統管理模塊

除了基本的信息采集功能的實現和業務邏輯的處理，管理系統功能也是重要的一部分，對系統使用用戶的管理及系統部分業務只有管理員才能執行，涉及到操作權限的指定。還有最基本的用戶登陸，系統根據數據庫的信息，在用戶進行身份認證后，跳轉到不同的頁面。權限添加功能時序圖如圖6 所示。

圖6 權限添加功能時序圖

2.3 數據庫設計

本系統中實體主要有用戶、設備、實驗室和申請單等。數據實體-聯系圖（E-R 圖）如圖7 所示。

根據圖7 的數據庫E-R 圖，創建的主要數據庫表見表2-表3，確定每張表的主關鍵字（primary-key），每張表的primary-key 應該是這張表的唯一標識。為每個字段選取合適的數據類型，根據實際情況，選定合適的字段長度，所有的字段名都不應該為空。

表2 用戶數據表

表3 設備信息表

圖7 數據庫E-R 圖

3 系統主要功能實現

3.1 系統登錄功能

登錄功能是所有系統必備功能，用戶輸入用戶名、密碼后，后臺會對比數據庫中的用戶信息，驗證通過后，系統會將用戶信息存入Session 域，然后根據用戶信息判斷是用戶還是管理員，接著跳轉對應的頁面。登錄頁面如圖8 所示。

圖8 系統登錄圖

3.2 設備信息管理功能

盤點實驗室的設備信息。本系統設置的設備信息有設備編號、設備名稱、設備類型和設備數量。設備信息管理功能只有管理員能夠操作。接著所以系統會先判斷用戶是否有權限，再進入設備信息管理頁面。系統設備信息管理如圖9 所示。

圖9 設備信息管理圖

4 結束語

本文開發了1 套基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統，研究過程中先對RFID 系統的組成、工作頻段的劃分及應用范圍進行了論述。然后根據系統的功能需求和性能需求，構建了基于超高頻RFID 的實驗室設備管理系統的整體架構，包括感知采集、網絡通信和數據信息處理。技術架構設計上，整個系統使用B/S（瀏覽器/服務器）開發，使用MVC 模式搭建，完美地將前端頁面和業務邏輯分離。最后對系統的功能模塊和數據庫進行設計。射頻識別技術在現代信息化設備管理有很大優勢，本文基于超高頻RFID 進行實驗室設備管理系統開發，提升了設備使用效率和管理效率。