劉碩，宋毅

（大連醫(yī)科大學(xué)中山學(xué)院，遼寧大連，116085）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生應(yīng)用能力的主渠道，是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的前沿陣地，是各項(xiàng)成果產(chǎn)出的基礎(chǔ)。開放實(shí)驗(yàn)室可以提升設(shè)備的利用率，促進(jìn)資源的進(jìn)一步共享，可以讓學(xué)生不受上課時(shí)間的限制，自主安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主動(dòng)學(xué)習(xí)，對(duì)于提升學(xué)生的獨(dú)立思考能力、應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力都有很大的裨益。

但受困于實(shí)際的管理困難，實(shí)施實(shí)驗(yàn)室開放并不容易，以筆者工作的高校為例，共有實(shí)驗(yàn)室123 個(gè)，開放導(dǎo)致的各類管理問題層出不窮，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是設(shè)備管理難度大，不同實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備類型各不相同，很多設(shè)備體積小且放置分散，易丟失；二是管理人員不足，面對(duì)著人員登記、設(shè)備盤點(diǎn)、設(shè)備維護(hù)等各類工作，壓力繁重。

如何解決上述管理問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控與快速盤點(diǎn)，減輕實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量，是實(shí)驗(yàn)室開放工作亟待解決的問題，經(jīng)調(diào)研，RFID 技術(shù)是較為成熟的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可進(jìn)行非接觸式的信息收集，完成對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)管理，適用于門禁、資產(chǎn)及圖書管理等各類高校應(yīng)用場(chǎng)景[1]。本文對(duì)RFID 技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室開放管理中的運(yùn)用進(jìn)行論述。

1 RFID 技術(shù)簡(jiǎn)介

作為物聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分，RFID 有著廣泛的應(yīng)用。RFID 系統(tǒng)由標(biāo)簽、天線及閱讀器等設(shè)備組成，能夠以無(wú)線射頻方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與自動(dòng)識(shí)別，且RFID 的識(shí)別通信無(wú)需接觸。RFID 閱讀器及天線會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，形成一定有效范圍的電磁場(chǎng)，RFID 標(biāo)簽在輻射范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)自電磁場(chǎng)中獲取能量，將存儲(chǔ)信息通過電波回傳至閱讀器，閱讀器接收后，可將其轉(zhuǎn)換為相關(guān)數(shù)據(jù)，與應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)接即可進(jìn)行進(jìn)一步處理[2]。作為極具潛力的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，RFID 在制造業(yè)、零售、物流、軍事、教育及醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。2010年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)納入我國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，RFID 迎來發(fā)展機(jī)遇，在政策導(dǎo)向、市場(chǎng)需求等重大利好下，RFID 行業(yè)生態(tài)鏈日益完善，RFID 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提供數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國(guó)RFID 行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到1600 億元以上。

隨著新冠感染在全球爆發(fā)，RFID 以其非接觸性識(shí)別的特點(diǎn)，在特殊時(shí)期廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景，如山東海岸公安警察利用RFID 漁船識(shí)別系統(tǒng)智能監(jiān)管，防范未登記的外籍漁船入港；中鐵二十五局廣州地鐵項(xiàng)目部利用圖像識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合RFID 人員定位芯片，實(shí)時(shí)獲取施工人員軌跡，對(duì)人員聚集行為進(jìn)行預(yù)警。疫情防控也促進(jìn)了“無(wú)接觸購(gòu)物”模式的發(fā)展，如無(wú)人售貨超市，通過在商品包裝粘貼RFID 標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)商品在360 度空間內(nèi)精確識(shí)別，結(jié)合自動(dòng)收銀臺(tái)中設(shè)置的讀寫系統(tǒng)，即可完成費(fèi)用結(jié)算。在超市出入口部署集成了讀寫器及天線的門禁系統(tǒng)，既有防盜效果，又可對(duì)商品庫(kù)存及損耗進(jìn)行把控。近年來，國(guó)家也推出冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃、物聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南等多項(xiàng)與RFID 相關(guān)的政策，伴隨通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，RFID 將繼續(xù)保持強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大小范圍、設(shè)備數(shù)量及實(shí)際管理需求，對(duì)RFID系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，共分為四個(gè)層級(jí)，分別是對(duì)象層、采集傳輸層、數(shù)據(jù)處理層及信息展現(xiàn)層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案架構(gòu)

■2.1 對(duì)象層

對(duì)象層由實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及RFID 標(biāo)簽構(gòu)成，對(duì)原有EAN-13 編碼的資產(chǎn)標(biāo)簽進(jìn)行改造，用于標(biāo)識(shí)設(shè)備信息，開展設(shè)備管理。RFID 標(biāo)簽可分為有源、半有源及無(wú)源三類，前二者有內(nèi)置電池供電，識(shí)別距離長(zhǎng)，使用壽命在5 年內(nèi)且成本較高；無(wú)源RFID 標(biāo)簽無(wú)電池，成本較低，無(wú)需定期維護(hù)，但識(shí)別距離較短，且對(duì)讀寫器功率有所要求[3]。鑒于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室面積不會(huì)很大，決定選用無(wú)源RFID 標(biāo)簽，根據(jù)設(shè)備的不同張貼某品牌抗金屬或紙質(zhì)標(biāo)簽，基于ISO18000-6C 協(xié)議，工作頻率為860～960MHz，使用壽命不低于10 年。由手持讀寫器完成標(biāo)簽發(fā)卡，限制于存儲(chǔ)容量，僅寫入設(shè)備編號(hào)及名稱兩個(gè)主要字段，紙質(zhì)標(biāo)簽可預(yù)先打印設(shè)備條碼及名稱。

■2.2 采集傳輸層

采集傳輸層是硬件系統(tǒng)的核心，由手持讀寫器、通道讀寫器、天線及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。手持讀寫器具有高度的集成性與靈活性，支持標(biāo)簽發(fā)卡與讀寫，用于RFID 標(biāo)簽初始化與設(shè)備清查等工作。選擇某品牌手持終端PDA，搭載Cortex-A53/1.4GHz 四核心處理器，Android 9.0 系統(tǒng)，集成5.7 寸LCD 顯示屏，支持4G、WIFI 及藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)連接，讀寫距離最大達(dá)12 米。利用廠商的軟件開發(fā)包開發(fā)了基于JAVA 的軟件系統(tǒng)，設(shè)備清查時(shí)，可識(shí)別范圍內(nèi)的RFID 標(biāo)簽，獲取數(shù)據(jù)，快速盤點(diǎn)，上傳設(shè)備信息表至服務(wù)器端，生成清查結(jié)果，可極大減輕實(shí)驗(yàn)室管理人員負(fù)擔(dān)。

在實(shí)驗(yàn)室出入口處安裝通道讀寫器，即RFID 門禁設(shè)備，其可對(duì)可能帶出實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備進(jìn)行非接觸識(shí)別，并通過紅色標(biāo)記燈及蜂鳴器進(jìn)行警示。在設(shè)備選型中，除高度、材質(zhì)外，還應(yīng)考慮觸發(fā)敏感度及識(shí)別距離，部署設(shè)備尺寸為1.5×0.6 米，材質(zhì)為鋁合金外框及鋼化玻璃主體，單門重量約40 千克，雙向觸發(fā)識(shí)別，支持RSSI 數(shù)值檢測(cè)，讀寫距離0 至5 米，設(shè)有以太網(wǎng)接口一個(gè)，用于數(shù)據(jù)通信。天線用于發(fā)送接收無(wú)線電波，提升系統(tǒng)性能，也是系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)，選擇某品牌中型平板天線，圓極化，工作頻率865-868/902-928MHz，每實(shí)驗(yàn)室部署兩個(gè)，安裝于棚頂。

■2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成，部署聯(lián)想ThinkServer SR590 服務(wù)器兩臺(tái)，搭建實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)，接受采集傳輸層采集到的信息，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所有設(shè)備皆接入校園網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。軟件設(shè)計(jì)將在下一節(jié)詳細(xì)闡述。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

■2.4 信息展現(xiàn)層

信息展現(xiàn)層主要由連接校園網(wǎng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，向管理者展示實(shí)驗(yàn)室設(shè)備現(xiàn)狀及統(tǒng)計(jì)信息。此外，手持式終端設(shè)有一塊5.7 英寸高分辨LCD 顯示屏，搭載Android 9.0 移動(dòng)操作系統(tǒng)，也可以進(jìn)行簡(jiǎn)要的信息展現(xiàn)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要包含服務(wù)器端及手持移動(dòng)端兩個(gè)部分，需分別進(jìn)行開發(fā)，在滿足工作需求的前提下，為確保系統(tǒng)的運(yùn)行速度及操作便捷，盡可能對(duì)功能模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，功能模塊圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

■3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端采用ASP.NET MVC 模式進(jìn)行開發(fā)，其有效簡(jiǎn)化復(fù)雜的開發(fā)程序，穩(wěn)定性較高，易于擴(kuò)展。因系統(tǒng)數(shù)據(jù)量并不龐大，基于安全性及開發(fā)習(xí)慣考慮，選用SQL Server 2008 作為數(shù)據(jù)庫(kù)工具。系統(tǒng)采用Visual Studio 2015 工具開發(fā)，此工具將C#、VВ 等各類語(yǔ)言進(jìn)行整合，開發(fā)環(huán)境開放且十分穩(wěn)定，并支持跨平臺(tái)的移動(dòng)開發(fā)。

系統(tǒng)開發(fā)過程如下，創(chuàng)建名為 “RFID Device”的MVC 項(xiàng)目，通過需求分析，基于MVC 模式構(gòu)建管理系統(tǒng)的Model 模型、View 界面視圖及Controller 控制類；接下來對(duì)模型進(jìn)行開發(fā)，設(shè)定系統(tǒng)的各項(xiàng)控制接口，對(duì)控制類進(jìn)行開發(fā)，利用控制類完成不同指令下視圖的顯示控制；最后進(jìn)行視圖開發(fā)，控制數(shù)據(jù)通過視圖傳輸至模型，并由模型與數(shù)據(jù)庫(kù)通信完成數(shù)據(jù)處理。

SQL Server 2008 具有較好的安全性與穩(wěn)定性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)量并不龐大，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)前進(jìn)行了詳盡的調(diào)研論證，合理規(guī)劃了數(shù)據(jù)表字段，進(jìn)行概念模型與邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)定各表主鍵，構(gòu)建表間聯(lián)系，共建立12 張數(shù)據(jù)表。

服務(wù)器端共包含系統(tǒng)管理及設(shè)備管理兩大功能模塊，每個(gè)模塊細(xì)分若干子模塊，具體如下：

(1)系統(tǒng)管理

本模塊用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的設(shè)置，包含用戶管理、權(quán)限設(shè)置、機(jī)構(gòu)管理及數(shù)據(jù)管理四個(gè)子模塊。共設(shè)定校級(jí)、學(xué)院及實(shí)驗(yàn)室三級(jí)管理員，不同級(jí)別管理員在權(quán)限設(shè)置子模塊配置不同權(quán)限，機(jī)構(gòu)管理用于設(shè)定二級(jí)單位及實(shí)驗(yàn)室，數(shù)據(jù)管理模塊用于數(shù)據(jù)表的備份及還原。

(2)設(shè)備管理

本模塊用于實(shí)驗(yàn)室具體設(shè)備的管理，包含設(shè)備入庫(kù)、設(shè)備查詢、設(shè)備調(diào)配、設(shè)備報(bào)廢及設(shè)備清查。設(shè)備表的字段與校級(jí)資產(chǎn)管理平臺(tái)基本一致，包含編號(hào)、名稱、分類號(hào)、型號(hào)規(guī)格、單價(jià)、廠家、購(gòu)置日期、存放地及狀態(tài)等信息。設(shè)備清查模塊是系統(tǒng)開發(fā)的核心功能，可查詢到清查人員使用手持移動(dòng)終端進(jìn)行盤點(diǎn)后的結(jié)果，以及每個(gè)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

■3.2 手持移動(dòng)端

手持移動(dòng)端系統(tǒng)采用廠商提供的軟件開發(fā)包，包括類庫(kù)、示例應(yīng)用程序及若干說明文檔，在SDK 輔助下，利用JAVA 語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用程序，以編程方式控制RFID 手持讀寫器工作。

開發(fā)的關(guān)鍵主要有兩項(xiàng)，首先是實(shí)現(xiàn)RFID 手持端對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的遠(yuǎn)程訪問，這里利用了廠商提供的依賴庫(kù)及JAVA 語(yǔ)言的JВDC 程序接口，導(dǎo)入依賴庫(kù)后調(diào)用Class.forName()，將驅(qū)動(dòng)管理類進(jìn)行初始化，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)管理類的GetConnection()構(gòu)建訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的程序接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；其次是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)RFID 手持端掃描功能的控制，這里同樣基于廠商的依賴庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，調(diào)用讀寫器類實(shí)現(xiàn)與設(shè)備連接，利用RFID.Init()及RFID.OpenAndConnect()完成掃描芯片的連接運(yùn)行，繼續(xù)開啟識(shí)別Tag 循環(huán)，將讀取的數(shù)據(jù)存至緩存區(qū)，依次進(jìn)行處理，這里返回的數(shù)據(jù)可以是多個(gè)RFID 標(biāo)簽的一次性讀取結(jié)果。手持移動(dòng)端系統(tǒng)功能模塊如下：

(1)設(shè)備標(biāo)簽寫入

因硬件設(shè)備未配備桌面發(fā)卡器，故由手持移動(dòng)端本模塊完成RFID 資產(chǎn)標(biāo)簽寫入功能，將設(shè)備編號(hào)、名稱、存放地等核心信息寫入至打印條形碼后的無(wú)源RFID 標(biāo)簽，并進(jìn)行張貼。

(2)清查盤點(diǎn)

此為系統(tǒng)重要的核心功能，用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的快速盤點(diǎn)，手持移動(dòng)終端處于實(shí)驗(yàn)室中心位置處，啟動(dòng)設(shè)備清查，終端的RFID 探頭將自動(dòng)對(duì)范圍內(nèi)的RFID 標(biāo)簽進(jìn)行掃描，獲取信息。掃描結(jié)束后，將生成設(shè)備信息表，存儲(chǔ)在終端RAM 內(nèi)。手持移動(dòng)端通過無(wú)線局域網(wǎng)與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將設(shè)備信息表上傳至服務(wù)器，進(jìn)行信息比對(duì)，如一致則返回設(shè)備正常信息，如不一致則顯示未在線設(shè)備名稱，并生成清查結(jié)果文檔。手持移動(dòng)端同時(shí)具備定位功能，可對(duì)操作位置進(jìn)行定位采集，輔助工作開展。

(3)設(shè)備查詢

本模塊用于讀取RFID 標(biāo)簽，對(duì)單個(gè)設(shè)備的信息進(jìn)行查詢，確認(rèn)標(biāo)簽信息與設(shè)備是否相符。實(shí)驗(yàn)室皆實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋，也可以通過查詢?cè)O(shè)備資產(chǎn)編號(hào)，自服務(wù)器端獲取設(shè)備信息，進(jìn)行比對(duì)。本模塊同樣可以以實(shí)驗(yàn)室為單位進(jìn)行設(shè)備情況的統(tǒng)計(jì)查詢。

4 總結(jié)與展望

本文完成了RFID 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室作為試點(diǎn)，每實(shí)驗(yàn)室部署手持PDA 終端1 個(gè)、通道讀寫器1 個(gè)、天線2 個(gè)、無(wú)源標(biāo)簽約120 個(gè)，設(shè)備選型如圖4 所示，總成本較低。通過了RFID 設(shè)備功能測(cè)試及信號(hào)覆蓋測(cè)試，目前已投入使用，實(shí)現(xiàn)了信息化管理，實(shí)時(shí)日志記錄，統(tǒng)計(jì)便捷，助力實(shí)驗(yàn)室形成高效準(zhǔn)確的設(shè)備管理模式，杜絕了設(shè)備丟失現(xiàn)象，減輕了管理人員負(fù)擔(dān)，提升了工作效率。

圖4 設(shè)備選型

系統(tǒng)目前仍存有不足，首先是現(xiàn)有資產(chǎn)及設(shè)備暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)人員登記功能，后續(xù)將考慮將RFID與校園一卡通結(jié)合，改造現(xiàn)有卡片為ISO18000-6C 協(xié)議的IC 卡，利用通道讀寫器進(jìn)行識(shí)別[4]；其次是RFID 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)與校級(jí)資產(chǎn)管理系統(tǒng)暫未對(duì)接，存在數(shù)據(jù)孤島，后續(xù)將研究論證。除技術(shù)支撐外，還應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制，從機(jī)構(gòu)建設(shè)、隊(duì)伍建設(shè)、規(guī)章制度建設(shè)等方面改革創(chuàng)新管理[5]，打破壁壘，全面推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開放。