基于超高频RFID 的实验室设备管理系统

钟 维

（福州大学，福州 350000）

近年来随着科技生产力的迅速发展，社会信息化程度越来越高，高校教育的规模也越来越大，然而多数高校实验室设备管理效率低下，出入库管理和库存管理都要依靠管理员手动执行。课题组下面的实验室与实验室之间设备信息和数据查询没有同步共享。射频识别技术（RFID）可以同时扫描目标区域内多个标签，RFID 标签有特定的ID，将ID 和设备信息对应起来，可以查看设备状态。

RFID 技术的来源是早期雷达的概念经过不断发展形成了如今的RFID 技术[1]。早期的仓储信息管理完全依靠人工[2]。

我国的高校教育开始进入提质阶段，其重点强调培养当代大学生实践动手能力和创新意识[3]。课题组下有多个实验室，这些实验室分布在不同的校区，虽然最开始设备的分布信息在课题组有备份，但因为没有一个完整的系统管理，而学生的科研方向不同，使用这些设备后就将其留在当地，慢慢地这些设备的分布信息就不明确了，造成管理困难。课题组的科学技术研究需采购仪器设备及实验室之间的设备调动，全部由人工管理，效率低下。实验室的精密仪器设备较多，需要能实时了解设备位置信息。

基于超高频的实验室设备管理系统的设计，使用超高频RFID 电子标签作为每个设备的标识，电子标签成本低，不易损坏，同时超高频电子标签读取距离远，设备统计效率更高。一方面可以更加方便地对实验室设备进行现代化的管理；另一方面，良好的系统设计，每个实验室都有1 个采集客户端，加快检索和查找速度，很大程度上提高了设备使用的效率。解决了设备智能化管理的问题。

1 RFID 技术的构成

目前，在智能识别和自动控制领域，RFID 技术开始被广泛应用[4]。射频识别技术是通过空间耦合实现无接触信息传递的技术[5]。RFID 系统的分类由不同的工作频段划分，由于各个频段的工作原理有所不同，系统的读取距离、识别速度、环境影响和标签类型都有所不同，应用在不同的领域。本文对RFID 技术原理和应用选择进行说明。

1.1 RFID 系统构成

RFID 系统包括RFID 电子标签、读写器天线、读写器和应用软件[6]。RFID 电子标签的作用是记录一串字符信息，这些信息存在加密协议。天线是信号的接收源和发射源，信号的传输距离和天线的增益成正比。读写器负责与电子标签通信，接收上位机系统的操作指令，完成标签信息的数据读写。RFID 系统工作如图1所示。

图1 RFID 系统工作图

读写器和RFID 电子标签又合称为响应模块。响应模块内部的工作过程是读写器收到命令后，读写器天线向周围发射信号，因为本系统使用的是无源标签，无源标签本身不产生信号，收到天线发射的信号后，内部的芯片激活，同样向周围发送信号，这些信号里有标签的信息，里面有标签ID 的字符信息，读写器再解码这些信息。响应模块的作用是接收上层应用软件发送过来的数据信息，在响应模块内部完成处理，也就是读写器和标签之间完成数据交换。最后应用软件得到了标签信息。

1.2 RFID 系统工作频段划分

国际电信联盟对无线电频段作了详细划分，在RFID 系统中，常用的有低频、高频和超高频3 个频率范围。表1 给出了RFID 系统在不同国家地区3 个频段的划分，以及对应的应用场景。

表1 RFID 系统频段划分及应用

由表1 可知，低频的2 个主要频率是125 kHz 和134.2 kHz，低频系统信号传输慢，但是相对稳定，适合稳定且读取距离短的应用，一般应用在牧场动物上。而在高频阶段，应用最广泛的频率是13.56 MHz，高频信号的穿透力较强，但是衰减得很快，所以应用场景是识别距离较短的同时抗干扰较强的，如供应链管理。与上述2 个频段有所不同的是，超高频的技术还在继续发展，全世界没有统一的频段标准。与高频的工作方式不同，超高频是通过电场来传输能量，传输距离远，可以在短时间内读取大量的电子标签。但穿透能力较弱，不能透过水和金属，主要通过电容耦合的方式实现。应用于后勤管理系统、铁路包裹的管理等。

在本系统中，每个设备都贴附1 个RFID 标签，标签有唯一ID 的数据信息，阅读器读取到标签信息后，传输给上位机，上位机再根据这些信息与系统数据库中设备表的设备匹配，进而得到全部信息。而超高频RFID电子标签存储的数据量大、体积小、价格低，可以很好地贴在设备上，降低成本。因此，本课题开发的实验室设备管理系统将基于超高频射频识别技术展开研究。

2 基于超高频RFID 的实验室设备管理系统设计

2.1 系统架构设计

2.1.1 整体架构设计

本系统的整体架构分为3 层，从底层向上是信息采集、网络通信及应用层的业务逻辑处理。系统整体架构图如图2 所示。

图2 系统整体架构图

物联网三层架构第一层为感知层，也就是信息采集层，本系统使用超高频RFID 阅读器采集标签数据信息，读取的标签ID 作为设备标识。感知层获取完信息后，将信息传输给上一层；网络层作为物联网三层架构的中间层，主要的作用是采集层与应用层的通信。最顶层是应用层，接收网络层传输过来的信息，处理业务逻辑，包括系统管理功能和出入库管理，然后将处理好的业务信息返回给网络层，实现一个双工通信。

2.1.2 技术架构设计

超高频RFID 设备管理系统典范的MVC 模式，采用JavaEE 的 SSM（Spring+SpringMVC+Mybatis）集成框架来搭建。如图3 所示为技术架构图。

MVC 模式表示的是模型（Model）、视图（View）、控制器（Controller），MVC 程序的工作流程是：表现层内是View 页面向Controller 控制器发送请求，通过业务逻辑层的业务处理，找到相应的Model 处理，处理完毕后再将处理结果返回到View 页面。

2.2 系统功能模块设计

基于超高频的设备管理系统设计了设备信息模块、设备管理模块和系统管理模块3 大模块。

2.2.1 设备信息模块

本系统的信息采集和信息查询为设备信息功能，记录的用户都能使用：（1）信息采集功能。每个设备上都有一个超高频RFID 标签，RFID 阅读器读取的标签ID 作为设备的唯一标识，搜集到的RSSI 指纹作为设备室内定位的信息。（2）状态查询功能。查询实验室登记设备的使用状态。（3）室内定位功能。将采集到的RSSI（接收信号强度）输入改进的LANDMARC 定位算法中，得到预测结果，并将这个结果返回给系统。

设备查看状态功能时序图如图4 所示。

图4 设备查看状态时序图

2.2.2 设备管理模块

设备管理模块实现的功能是应对实验室设备管理系统的业务逻辑，管理员才能使用：（1）出库管理功能。废旧设备淘汰和实验室之间的设备调动都会有设备出库，采集录入设备信息并标记通信模块特征。（2）入库管理功能。实验室采购的新设备和实验室之间的调动都会有设备入库。（3）库存盘点功能。统计实验室内设备的种类、库存数量和资产总值。

入库管理功能时序图，如图5 所示。

图5 入库功能时序图

2.2.3 系统管理模块

除了基本的信息采集功能的实现和业务逻辑的处理，管理系统功能也是重要的一部分，对系统使用用户的管理及系统部分业务只有管理员才能执行，涉及到操作权限的指定。还有最基本的用户登陆，系统根据数据库的信息，在用户进行身份认证后，跳转到不同的页面。权限添加功能时序图如图6 所示。

图6 权限添加功能时序图

2.3 数据库设计

本系统中实体主要有用户、设备、实验室和申请单等。数据实体-联系图（E-R 图）如图7 所示。

根据图7 的数据库E-R 图，创建的主要数据库表见表2-表3，确定每张表的主关键字（primary-key），每张表的primary-key 应该是这张表的唯一标识。为每个字段选取合适的数据类型，根据实际情况，选定合适的字段长度，所有的字段名都不应该为空。

表2 用户数据表

表3 设备信息表

图7 数据库E-R 图

3 系统主要功能实现

3.1 系统登录功能

登录功能是所有系统必备功能，用户输入用户名、密码后，后台会对比数据库中的用户信息，验证通过后，系统会将用户信息存入Session 域，然后根据用户信息判断是用户还是管理员，接着跳转对应的页面。登录页面如图8 所示。

图8 系统登录图

3.2 设备信息管理功能

盘点实验室的设备信息。本系统设置的设备信息有设备编号、设备名称、设备类型和设备数量。设备信息管理功能只有管理员能够操作。接着所以系统会先判断用户是否有权限，再进入设备信息管理页面。系统设备信息管理如图9 所示。

图9 设备信息管理图

4 结束语

本文开发了1 套基于超高频RFID 的实验室设备管理系统，研究过程中先对RFID 系统的组成、工作频段的划分及应用范围进行了论述。然后根据系统的功能需求和性能需求，构建了基于超高频RFID 的实验室设备管理系统的整体架构，包括感知采集、网络通信和数据信息处理。技术架构设计上，整个系统使用B/S（浏览器/服务器）开发，使用MVC 模式搭建，完美地将前端页面和业务逻辑分离。最后对系统的功能模块和数据库进行设计。射频识别技术在现代信息化设备管理有很大优势，本文基于超高频RFID 进行实验室设备管理系统开发，提升了设备使用效率和管理效率。