基于RFID的实训室设备管理系统的设计

张小燕 贾民政

(北京工业职业技术学院 电气与信息工程学院，北京 100042)

0 引言

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，它可以通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。作为一种新兴的先进技术，RFID具有许多突出的优点,如：唯一性识别，非接触式自动识别，无需光学可视即能完成信息处理，较长距离识别，高速运动物体识别，多个标签识别，可在各种较为恶劣的环境下应用等。

随着云计算、大数据、物联网和移动互联网等新技术突飞猛进的发展，RFID技术作为物理世界与现有IT系统的桥梁，与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。因此，RFID技术在20世纪末就开始被广泛应用于仓储、物流等商业领域。

应用RFID技术建立的管理系统，可以帮助用户解决设备管理面临的各种难题。如：利用RFID电子标签唯一性的特点，可以解决多个同型号设备的检索和盘点问题；利用RFID非接触式自动识别、较长距离识别以及同时多个物体识别的突出特点，可以帮助用户自动完成设备出入库的快速登记；利用RFID夜间环境较强数据读取能力的特点，可以满足用户夜间使用设备的需要。

基于此，如果在学校实训室设备管理系统中引入RFID技术，可以帮助学院实训室管理员或各个教研室完成对设备的信息化和规范化管理，也可以实现实训室设备的最优化管理和资源融合。笔者以实训室设备管理要求为切入点，设计基于RFID技术的实训室实验设备管理系统，为实训室设备管理信息化系统的搭建提供解决方案。

1 RFID系统组成

RFID系统因应用不同，其组成也有所不同，但基本都是由RFID电子标签、RFID读写器和后端管理系统(应用软件)3个部分组成[1-2]，如图1所示。

图1 RFID系统组成

1.1 RFID电子标签

RFID电子标签是射频识别系统的数据载体，由标签天线和标签专用芯片组成，主要用来存储被标识物的数据信息。RFID电子标签外形如图2所示，组成结构如图3所示。

图2 RFID电子标签

图3 RFID电子标签的组成结构

电子标签芯片是电子标签的核心部分，它的作用是标签信息的存储、标签接收信号的处理和标签发射信号的处理。

天线是电子标签发射和接收无线电信号的装置。电子标签类似一个小的无线电收发机，无线发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去；而当有电磁波到达电子标签区域时，由标签天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。

电子标签电路的复杂度与标签所具有的功能成正比。不同电子标签芯片的结构会有所不同，但基本结构类似，一般由控制器、调制解调器、编解码发生器、时钟、存储器和电源电路构成。

1.2 RFID读写器

RFID读写器是利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输。

RFID读写器根据不同的实现功能，又有不同的命名。如：单纯读取标签信息的设备称为读出装置、扫描器；单纯向标签内存写入信息的设备称为编程器、写入器；具有读取与写入标签内存信息的设备称为阅读器、通信器。

读写器的频率决定了RFID系统的工作频段，读写器的功率直接影响到RFID系统的距离与阅读效果的好坏[3-4]。实验所用的RFID读写器开发板如图4所示。

图4 RFID读写器开发板

1.3 RFID后端管理系统

RFID后端管理系统，即RFID系统的应用软件，可以根据用户实际需要，在C#,Java等平台上开发管理程序。

2 系统硬件配置

在开发物联网应用程序时，为了实现智能应用，需要利用RFID读写器对RFID电子标签上的数据进行读写操作，读写操作前需要完成对读写器参数的设置[5]。

2.1 连接电源

将随机附带的9～12 V直流电源适配器插入电源插座，读写器模块红色LED指示灯为电源正常指示灯，蓝色LED指示灯为读写器状态指示灯。此时，将听到“滴滴”2声鸣响，同时模块指示灯亮，表示上电过程正常，读写器自检通过(见图4)。

2.2 连接天线

将接口为SMA的天线接入读写器的天线端，这是一个四通道的读写器，最多能接4根天线(见图4)。

2.3 连接数据线

通过RS232接口与电脑连接，拧紧固定螺柱。或者通过一个USB转RS232串口公头转接线，与电脑USB口相连接。

2.4 读写器基本参数设置

如果读写器是通过RS232串口连接的，则在连接方式里选择RS232,选择对应的串口号，并选择相应的波特率。读写器的默认波特率为115 200 bit/s。RFID读写器基本参数设置如图5所示。

图5 RFID读写器基本参数设置

基于RFID的实训室设备管理系统的硬件部分连线如图6所示。

图6 基于RFID的实训室设备管理系统硬件接线图

3 系统软件设计

启动管理系统，输入用户名和密码，登陆RFID实训室设备管理系统。进入系统后，出现如图7所示的工作平台。

图7 RFID实验系统工作平台

在这里可以进行如下操作：

(1)通过“操作用户管理”标签，添加和管理管理员。

(2)通过“学生用户管理”标签，添加和管理学生用户，并实现RFID电子标签与学生的绑定，如图8所示。

图8 学生用户与RFID标签绑定

学生用户可以通过导入Excel表格方式批量添加(导入模板中学生信息数据源可在学校网站下载班级学生信息表)，也可以通过手工输入方式单个添加。

(3)通过“设备登记”标签，可以添加和管理实训室设备及其与RFID电子标签的绑定，如图9所示。

图9 设备与RFID标签绑定

设备可以通过导入Excel表格方式批量添加(导入模板可在学校资产网站下载该实训室的资产信息表)，也可以通过手工输入方式单个添加。

(4)通过“统计分析”标签，可以查看日志。

(5)在整个实验过程中，必须保持读写器硬件处于启动状态(打开图7中的“启动硬件”)，才能实现学生用户与电子标签的绑定、设备与电子标签的绑定，如图10所示。

图10 启动硬件

4 系统测试

笔者设计的基于RFID技术的实训室设备管理系统，由RFID数据采集硬件系统和管理程序软件系统2个部分组成。RFID数据采集硬件系统需要进行参数配置，管理程序软件系统在编写过程中参考了某校资产处资产信息的条目名称，使测试系统的关键条目：名称、资产编号、验收单编号、规格型号等与学校资产信息条目名称保持一致，以便之后在真实环境中对实训室的实验设备进行资产管理。在硬件系统设置成功和软件系统开发成功之后，进行了系统测试。

测试时，用3个RFID电子标签(每个电子标签号具有唯一性)分别代表3个具有不同学号的学生，用7个RFID电子标签代表7个不同电子设备，展开系统功能的模拟实验，测试管理程序的性能。测试的具体方法是让不同的学生(用不同的电子标签区别学生)带设备(用电子标签代表设备)不断进-出-进，反复测试程序，获取实验结果。测试结果如图11所示。

图11 设备信息查询

从图11中可以看出，资产编号为“20117181”的数字万用表，绑定了1个唯一的RFID标签编号，测试时的工作状态为“待报废”，最后由学号为“20179905107”的学生借出，当前位置状态为“进”，表示当前设备在该实训室内。资产编号为“20117182”的数字万用表，绑定了1个唯一的RFID标签编号，测试时的工作状态为“正常”，最后由学号为“1”的学生借出，当前位置状态为“出”，表示当前设备没有在该实训室内。

如果要对某个设备状态进行查询，可以根据“RFID标签”“名称”“资产编号”“验收单编号”“规格型号”“工作状态”“最后借出学号”“状态”这些条目进行筛选，如图12所示。

图12 设备信息查询筛选条目

5 结论

笔者设计了一个基于RFID的实训室设备管理系统，这个系统包含1个高频RFID读写器、10个RFID电子标签和设计的后端管理程序。通过分析实验结果，可以得出以下结论：所设计的系统能够自动对实训室的设备去向进行登记；通过对某一设备的状态进行查询，能够获取需要设备的状态信息。系统达到了自动管理设备的预期目的。当然，如果要进行实际运用，该系统的一些功能还有待进一步完善修正。