基于RFID技术的高校设备管理系统设计★

韩存武，张凤梅，孙德辉，吴力普，梁宇

（北方工业大学 现场总线及自动化北京市重点实验室，北京 100144）

基于RFID技术的高校设备管理系统设计★

韩存武，张凤梅，孙德辉，吴力普，梁宇

（北方工业大学 现场总线及自动化北京市重点实验室，北京 100144）

本课题将先进的物联网技术和设备管理结合在一起，在WPF技术、Socket、射频识别和SQL Server数据库的基础上提出了基于RFID技术［1］构建CS多层架构的实验设备管理系统，所有的数据处理都是在业务逻辑层上进行，避免数据库的错误访问和非法攻击。上位机的交互界面利用WPF技术，界面友好化设计。手持读卡终端作为客户端对设备的信息进行采集，通过无线通信模块将数据传递给服务器端。采用多线程特性，为每个客户端建立专门的监听线程，为信息交互服务，同时不影响人机交互界面进行相应的操作。本系统减少了设备信息管理的工作量，保证了数据的可靠性，实时性，提高了设备的管理水平。

WPF技术；Socket；SQL Server；RFID；手持读卡终端；多线程特性

0 引言

随着高校不断引进大型贵重设备，如何更好地对设备进行维护，增长设备的生命周期，保证设备管理的规范化、信息化、智能化发展成为当今值得研究的课题。现阶段，一些设备管理软件逐渐增多，

但需要专门的管理人员实时更新数据库才能达到数据的准确性。设备存放地点及新增报废设备都处于动态变化中，对于后台数据的维护增加了难度[2]。针对该问题，本课题将物联网的思想移植到设备管理中，提出了一套完整的设备管理方案，与其他管理软件相比，可智能提醒用户待保养、待维修、待报废设备，实时更新数据，自动完成设备保养、设备检修、设备借还等数据的记录，保证数据的准确性和实时性。采用先进的RFID （Radio Frequency Identification）技术[3]，射频模块通过天线发送13.56MHZ固定频率的电磁波来读取标签中的信息，读卡终端将读取的信息译码后，发送至微控制器进行相应的处理，将相应通信协议通过无线发至服务器端，服务器端采用多线程特性，可同时处理多个客户端发来的通信协议。有效地提高了设备管理效率。

1 设备管理软件架构

上位机设备管理软件如图1所示为软件系统框图，采用多层架构模式，包括数据库层、数据访问层、业务逻辑层、应用层四部分。

图1 软件系统框图Fig.1 Block diagram of software system

数据访问层是数据库层和逻辑层的桥梁，该层负责数据库的连接管理，包括数据的采集和存储，实现读卡器和无线网络实时数据的采集，根据对应的数据类型对各种数据进行存储，为逻辑层提供相应格式的数据作支撑，并对数据库所有数据进行增删改查操作；数据库层采用SQL Server数据库进行数据平台的建设[4]，创建用户信息表、借还信息表、保养信息表、事故信息表、维修信息表、设备信息表。

业务逻辑层通过数据库接口处理模块访问数据库，按照业务规则对各种输入信息和操作进行处理，由用户管理、设备信息管理、附加功能模块组成，主要负责从界面接收请求、根据业务规则处理请求、数据访问层与数据层间的数据获取与发送、将处理结果传递回界面层。用户管理模块包括注册、登陆，设备信息管理包括设备台账、设备借还、设备维修等，附加功能包括用户信息管理、修改密码、学校信息、带检修提醒、待保养提醒、建议报废提醒。

图2 登录界面Fig.2 Login screen

应用层主要为用户提供交互界面，实现界面操作和修改信息，并对录入内容进行判断和管理，实现与用户的交互。

1.1 登陆界面设计

用户登录界面如图2所示，利用WPF制作出不规则窗体，打破常规界面模式。登陆用户有权限设置，其中高级用户可访问管理模块和服务模块，普通用户只能访问设备信息，不能对设备和人员的信息进行管理，更好的保证设备信息的安全性。

登陆名和密码验证与数据库中的用户信息匹配，同时为了保证账户的安全，密码3次输入错误，自动锁定15分钟。可根据已有的学号进行新用户注册，管理员审批合格后注册成功。

1.2 主界面设计

如图4所示为设备管理的主界面，主要分为五大功能模块，分别为：设备台账、设备借还、设备维修、设备保养、设备事故。菜单栏打破常规文字模式，充分利用WPF的动画效果，应用事件触发器监听鼠标上下移动事件，当鼠标在标题栏上移时，菜单栏在设定的时间内缓缓出现，下移时，菜单栏在设定的时间范围内缓缓消失。

图3 登录功能图Fig.3 Login function

图4 主界面Fig.4 Main interface

菜单栏中添加了自动提醒功能：自动提醒检修、自动提醒保养、自动提醒报废。启动应用程序时计算机后台根据每个提醒功能相应的算法计算出待提醒项。检修和保养的时间间隔可根据设备的性能、使用天数及新增设备时设定的天数等因素计算出每个设备需要检修保养间隔。设备报废涉及多项因素：（1）检修后设备状态完好等级，（2）保养后设备状态，（3）设备损毁程度、维修金额及修好后的完好等级，（4）设备使用、借出和闲置天数等，根据各项属性的重要程度进行资产的效能评估，应用各指标得分加权求和，当低于某一设定值时提示待报废。

DataGrid控件显示数据库中各个对应表中的信息，管理员可直接对数据库进行新增删除命令。右上角中禁止读卡器通信按钮可控制读卡器的应用，禁止后台应用程序更改数据库的信息为系统维护做准备。若为允许读卡器通信状态，持续等待接收客户端发送来的通信协议，上位机界面采用多线程特性，在不影响上位机正常运行的同时，后台将接收到的通信协议进行解析及处理，对数据库进行实时更新，达到设备的智能化、信息化管理。

2 上下位机通信设计

本系统采用基于TCP的多线程Socket通信，将手持读卡器作为客户端，负责采集和打包数据，上位机作为服务器，负责对通信协议进行解析和相应的存储[5]。

如图5所示为服务器与客户端的通信流程。C#使用建立Socket服务器的Sockets来创建服务器对象，首先创建服务器套接字，这里涉及到的参数设定为使用IPv4协议，Socket流式连接，TCP传输，socketWatch = new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；获取服务器端的IP对象和端口号，将其绑定到负责监听的套接字上，开启监听线程并传入监听客户端请求的方法：threadWatch = new Thread（WatchConnecting）；当WatchConnecting方法监听到客户端连接请求时，socketWatch调用Accept方法阻断当前监听线程，并返回该客户端的套接字，此时创建一个专门的通信线程SocketConnection为该客户端与服务器进行通信并对接收到通信协议进行解析。socketWatch继续监听客户端发送来的请求。采用多线程可以同时处理多个客户端的通信连接，避免了数据处理排队等待的现象，防止延迟和数据丢失的现象，并且充分利用了系统的性能。

图5 服务器与客户端的通信流程Fig.5 Communication process between server and client

3 数据库设计

根据数据表之间的存储关系，本文采用E-R数据库设计方法[6]，对数据的需求进行分析，主要涉及的数据表有：设备台账表、用户信息表、设备保养表、设备事故表、设备维修表、备件表等。数据库是一个整体，不同表中的数据都是相互关联的，所以本系统为了保证数据的准确性和整个数据库中数据的完整性，利用主外键对表中相关联的数据进行连接，保证对一个表中的数据项进行增删改操作关联表中的相关项随之改变。

4 手持读卡终端

手持读卡终端由微控制器（STM32）[7]、存储模块、通信模块、JTAG、显示模块、射频模块、键盘模块、电源模块组成如图6所示。微处理器采用的是STM32芯片，这是一款32位ARM核心的微控制器，内置高速存储器，高性能的ARM CORTEX-M3 CPU使得开发人员可以在此基础上开发多种功能。显示模块采用2.8寸TFTLCD液晶彩屏模块，具有触摸功能，ILI9341驱动IC，具有真彩色和高分辨率的特性，射频模块采用MFRC522读写芯片，在13.56MHz频率下工作，该芯片主要应用在智能设备和便携式手持机的研发。

该设计的工作原理为：射频模块发射电磁波，当电子标签进入磁场时，标签内的电磁感应获得能量后被激活，发送信号，读卡器天线读取信息并解码后，送至微控制器，微型控制器将采集到的信息处理，并通过显示模块显示RFID卡中的设备基本信息，若需要与上位机通信，通信模块可将处理好的通信协议发送给上位机，存储模块用于存储显示模块中的中文字库及电子标签中的信息，按键模块用于手持读卡器的功能切换与确认。

界面主要分为四项功能：归还设备、保养设备、设备查询、借出设备，应用不同的功能，向上位机发送不同的通信协议。

图6 手持读卡终端框图Fig.6 The block diagram of the handheld card reader

读卡终端与上位机之间的通信是整个系统的重点，通信协议的优劣直接影响到传输效率的高低，对此本系统将设备信息写入到RFID卡中，完成一对一绑定，绑定后的设备卡将作为该设备的唯一标识。SQL SERVER数据库中存储每种设备对应的唯一标识号，在数据通信时，直接传递相应的标识号，可采用极少编码代替大量的信息[8]，缩减通信协议的传输量，防止丢包现象的发生。同时，在每个数据包的起始位和结尾位都有固定的标识，判断协议时就可以首先检验数据包的完整性，另外数据包还包括整个数据包的长度、功能命令字和人员设备标识号等。

无线通信模块采用安信可的ESP8266芯片，选取该芯片主要由以下几点原因：它是一款低成本的通信模块，拥有极小的封装尺寸和低功耗特性，专为物联网应用开发，主要是通过AT指令对WI-FI数据进行控制，将转换成的UART数据与主控进行数据传递[9]，达到无线通信的功能。该模块具有透传模式，本系统开首先启透传模式，与服务器建立网络连接，当网络连接建立成功后，手持读卡器和服务器就可以在该链路上实现双向数据传输。

5 小结

随着物联网时代的到来，给高校实验设备管理带来新的机遇[10]。本文对RFID技术在设备管理系统中的应用进行了设计，能够有效的解决设备管理中遇到数字资源共享、信息更新不及时、仪器设备存放管理及身份识别等难题，实现设备的自动化管理目标，极大地方便了设备的日常管理，促进了高校的实验设备管理的信息化建设。

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Design of Equipment Management System for University Based on RFID Technology

HAN Cun-wu, ZHANG Feng-mei, SUN De-hui, WU Li-pu, LIANG Yu
(North China University of Techonlogy, Beijing Key Laboratory of Fieldbus Technology and Automation, Beijing, 100144 China)

This topic combines the advanced technology of the Internet of things and equipment management, Based on the WPF technology， Socket， radio frequency identification and Server SQL database， this paper proposes a laboratory equipment management system based on RFID technology to build CS-tier architecture. All data processing is carried out on the business logic layer, to avoid the database of false access and the case of illegal attacks. PC interface using WPF technology, interface design is novel. The server adopts SQL Server database to store information related equipment， handheld reader of equipment information collection, the data is transmitted to the host computer through the wireless communication module, The multi thread characteristic is used to set up a special listening thread for each client, and it is an information exchange service, and it does not affect the operation of the human-computer interface. The system reduces the workload of management equipment information, ensure the reliability of the data, real-time, and improve the management level of the equipment.

WPF technology；Socket；SQL SERVER；RFID；Handheld reader；Multithreading features

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.001

HAN Cun-wu, ZHANG Feng-mei, SUN De-hui, et al. Design of Equipment Management System for University Based on RFID Technology[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 1-6.

国家自然基金项目（61573024），北京市自然科学基金（4142014）

韩存武（1961-），男，教授，博士，主要研究方向：无线通讯网络、网络化控制系统；孙德辉（1962-），男，教授，博士，主要研究方向：无线通讯网络、网络化控制系统；吴力普（1983-），男，研究员，硕士，主要研究方向：物联网；梁宇（1987-），男，学生，学士，主要研究方向：动力车辆识别

张凤梅（1989-），女，学生，硕士，主要研究方向：物联网

本文引用格式：韩存武，张凤梅，孙德辉，等. 基于RFID 技术的高校设备管理系统设计［J］. 新型工业化，2016，6（2）：1-6.