董 超，翟 猛，竇慧洋，寧向平

DONG Chao, ZHAI Meng, DOU Hui-yang, NING Xiang-ping

（天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

0 引言

實驗室建設是高校教育事業(yè)賴以生存和發(fā)展的前提，尤其是開放性實驗室建設對學生的創(chuàng)新意識和綜合素質的提高起著至關重要的作用。傳統(tǒng)的開放實驗室普遍存在著實驗人員不足和實驗設備空閑率高兩方面難題。鑒于以上問題，特提出基于RFID技術結合Internet技術構建開放性實驗室管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的開放性實驗室存在的問題，提高實驗室管理效率和水平。

1 RFID技術簡介

RFID(Radio Frequency Identification的縮寫)，即射頻識別，俗稱電子標簽，是從上世紀八十年代起走向成熟的一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID有讀取方便快捷、識別速度快、數(shù)據(jù)容量大和標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改的特點[1]。

目前RFID技術已在以下四個方面得到了成熟的應用。

1）物流：物流倉儲是RFID技術重要應用領域之一。可應用的過程包括：物流過程中的貨物追蹤、信息自動采集、倉儲管理應用、港口應用、郵政包裹和快遞等。

2）零售：沃爾瑪、麥德隆等大型超市已采用了RFID技術達到了降低勞動力成本和提高商品的可視度，降低因商品斷貨造成的損失，減少商品偷竊現(xiàn)象的目的。_

3）醫(yī)療：應用于醫(yī)院的醫(yī)療器械管理，病人身份識別，嬰兒防盜等領域。醫(yī)療行業(yè)對標簽的成本比較不敏感，所以該行業(yè)是RFID技術應用的一個重要領域。

4）制造業(yè)：應用于生產過程的生產數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、質量追蹤、自動化生產和個性化生產等。在貴重及精密的貨品生產領域應用更為迫切。

由此可見RFID技術已在社會生活的各個方面得到了成熟的應用，因此提出RFID技術在開放性實驗室管理系統(tǒng)中的應用。

2 系統(tǒng)結構及功能

2.1 實驗室人員管理模塊及構成

該模塊主要由兩大部分組成，即學生端和管理端。如圖1所示，學生端主要為學生服務，主要功能為實驗室預訂、實驗室信息查詢及個人信息查詢。管理端主要實現(xiàn)實驗室管理人員對實驗室進行管理和對實驗設備利用情況等進行評估[2]。

從圖1可以看出該模塊增加了學生與實驗室管理者的交互，在實驗室預訂模塊中，學生可以根據(jù)自己的需要在線查詢和預訂實驗室，預訂內容可以包括時間、題目、所需設備等，預訂完成后數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，而管理端則可以利用RFID技術對進入實驗室人員進行自動登記，實現(xiàn)刷卡上機功能。此外還可以對實驗課的考勤情況和實驗考試成績進行查詢統(tǒng)計，以達到統(tǒng)一管理的管理目標[3]。

圖1 人員管理模塊結構圖

RFID 射頻識別技術實現(xiàn)的關鍵在于射頻識別器的應用，考慮到與校園一卡通的兼容性，采用NXP生產的MF RC500非接觸IC卡/電子標簽讀寫器，可以讀寫符合ISO14443標準的非接觸IC卡及符合ISO15693標準的RFID電子標簽，支持的卡片種類有：Mifare One、Mifare Pro、上海復旦、AT88RF020、SR176、SRIX4K（TYPE-B）以及符合ISO14443 TYPE-A 或 ISO14443 TYPE-B的雙界面CPU卡，在此基礎上只需要占用校園一卡通的一個或幾個扇區(qū)即可實現(xiàn)所需功能[4]。

2.2 實驗設備管理模塊及構成

使用RFlD技術對實驗設備進行管理，采用電子標簽將實驗物品的基本屬性和幫助化信息等內容存儲起來，通過閱讀器或網(wǎng)絡管理的方式來實現(xiàn)。這些基本信息包括型號、規(guī)格、單價、出廠日期、設備號、使用單位、使用地點、維修紀錄和生產廠家等多種信息。傳統(tǒng)的紙質標簽即使能夠將全部信息表示出來，但費工費力，且維護工作量大。統(tǒng)一使用電子標簽后，每個儀器將帶有一個具有存儲芯片的模塊，上述所有的儀器信息將全部存儲在模塊中[6]。當儀器的內容發(fā)生變化時，用手持讀/寫卡器將很容易地修改芯片的內容，完成電子標簽內容的更新[7]。

如圖2所示，設備維護巡檢后的信息在現(xiàn)場可以錄入手持機，同時存儲于設備上的電子標簽，不僅節(jié)省了人力物力，同時也提高了實驗設備的使用效率，并使學校用于設備維護的成本降低。

圖2 設備管理模塊結構圖

應用射頻跟蹤自動識別管理系統(tǒng)，可以儲存大量的設備信息，同時還有每次維護、維修和巡檢的相應記錄，這樣可以預防由于不確定原因造成原設備建檔檔案損壞和遺失造成的設備信息資料的丟失，而且每次巡檢和維護必須做到對每一臺實驗設備的情況進行了解，并作相應的信息存儲操作，這樣可以避免對設備巡檢和維護工作的疏漏。由于每次巡檢和維護的結果都存儲于芯片而且這些信息是不能夠被隨意更改的，這就避免了如果出現(xiàn)與實驗設備相關的責任事故時不能明確是人為責任還是設備責任的問題，使實驗設備日常維護工作變得有據(jù)可查。

2.3 人員和設備定位模塊

RFID技術在無線傳輸環(huán)境中對物品的識別定位方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。利用附著在物品上的RFID有源標簽作為發(fā)射信號源，讀寫器作為接收設備，實現(xiàn)對物品的無線定位。

定位算法采用TDOA（Time Difference of Arrival）到達時間差法，TDOA算法是對TOA算法的改進，該算法不是直接利用信號到達時間，而是用多個基站接收到信號的時間差來確定移動臺位置，利用移動臺到達2個基站的時間TOA，取其差值來獲得。采用這種方法需要基站時間的嚴格同步，但是當兩基站間移動信道傳輸特性相似時，可減少由多徑效應帶來的誤差。

3 尋卡及讀卡的實現(xiàn)

軟件開發(fā)平臺選擇了Visual Basic6.1集成開發(fā)環(huán)境，其提供了DltTML(Dynamic}tTML)設計工具，利用該平臺可以動態(tài)創(chuàng)建和編輯Web頁面，方便在VB中開發(fā)多功能的網(wǎng)絡應用軟件[5]。

圖3是RFID讀卡器選卡及讀卡程序流程圖。

圖3 尋卡及讀卡程序流程圖

RFID讀卡器通過串口RS232標準與PC機通信，以下為關鍵代碼：

以下為選卡部分程序

i = rf_select(0, buf1(0), 4, b1)

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂選卡失?。。?/p>

Exit Sub

End If

lb_info.Caption = ＂選卡成功！＂

End Sub

以下為驗證密鑰程序

i = rf_M1_authentication2(0, b1, b3, buf1(0))

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂驗證密鑰失?。。?/p>

Exit Sub

End If

以下為讀卡程序

i = rf_M1_read(0, b3, buf2(0), b2)

If (i ＜＞ 0) Then

lb_info.Caption = ＂讀卡失?。。?/p>

Exit Sub

End If

s1 = ＂＂

For i = 0 To b2 - 1

s1 = s1 & Right(＂00＂ & Hex(buf2(i)), 2)

Next i

tx_sj.Text = s1

lb_info.Caption = ＂讀卡成功?。?/p>

End Sub

校園卡一般有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)有獨立的一組密碼，用戶可靈活定義每個扇區(qū)的訪問控制，而該系統(tǒng)管理信息只需要占用校園卡的一個或幾個扇區(qū)即可滿足要求，達到校園卡對開放性實驗室管理卡的兼容。

4 結束語

基于RFID技術結合計算機網(wǎng)絡技術構建的開放性實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了將瑣碎、復雜的手工管理轉變成為簡單、輕松的自動化管理模式，極大的減輕了勞動強度，提高了工作效率和設備的使用率，提升了實驗室管理水平，該系統(tǒng)必將會在開放性實驗室教學中發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 王瑾.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理技術[J].電腦知識與技術,2010:5741-5742.

[2] 饒增仁,郭明超.RFID及識別技術在開放實驗室中的應用[J].蘭州大學學報(自然科學版),2009:159-163.

[3] 姜浩,呂志豐,黃賀,張繼梅.開放式實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2009:110-111.

[4] 李珍香,李國,李德興.基于ARM的RFID智能安全管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2010:2745-2748.

[5] 周羅軒,陳建國,銀煜明.教學儀器設備網(wǎng)絡化管理與建設的研究[J].實驗室研究與探索,2002:136-139.

[6] 劉強,崔莉,陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術與應用[J].計算機科學,2010:188-193.

[7] 張應福.物聯(lián)網(wǎng)技術與應用[J].通信與信息技術,2010:15-18.