RFID在教学设备管理中的应用探析

王燕燕，尹晓红，雷 天，罗 钦

（深圳技术大学 城市交通与物流学院，广东 深圳 518118）

引言

实验室是高校教学与科研工作的重要场所，实验教学是高校教学的重要组成部分［1］，不断发展和完善的实验内容及管理方法为人才培养提供了重要保障，而设备管理是较为重要的一个环节。近几年，高校实验室建设速度逐渐加快，但是实验室设备管理速度却没有跟上。由于实验室设备数量庞大、种类繁多，传统的人工出入库与盘点速度慢、效率低，信息管理系统的使用解决了实验室设备的统计与出入问题，但是仍需要人工操作。随着实验课程和创新实验活动的增多，实验室内的设备流通变得越来越频繁，给实验设备管理人员带来很大挑战［2］。基于RFID的位置感知技术属于非接触式的主动式识别技术，有着较强的跟踪和追溯能力。将RFID标签固定到实验设备上，实验室门口设置RFID阅读器，设备在进出实验室时可被主动读取，自动完成录入与出库工作，实现设备自动定位、跟踪，从技术上实现对设备的实时监控，从而提高实验室设备管理的稳定性和安全性。

一、RFID技术概述

（一）RFID技术

RFID（radio frequency identification，无线射频识别技术），即通过射频信号自动识别电子标签并获取相关数据［3］，是一种非接触式批量自动识别标签的技术，无须在识别对象与识别器之间建立机械或光学连接。

RFID技术可同时主动批量识别一定范围内正在移动的标签，经常应用于贵重物品的信息溯源、数据采集、室内定位等。与蓝牙、超声波、Wi-Fi等室内定位技术相比，基于RFID的定位技术稳定性更强，维修成本更低，而且具有更强大的信号抗干扰能力，能够有效避免信息泄露现象发生。因此，本文将RFID用于实验室设备管理以实现设备的定位、溯源等功能。

（二）RFID位置感知系统工作原理

RFID位置感知系统主要包括阅读器、电子标签、管理信息系统。电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路构成［4］，通过收发天线接收阅读器的信号，并将要求的数据发送给阅读器，分为被动标签与主动标签。根据使用的结构和技术不同，阅读器可以是读或读写装置，它是RFID系统的信息控制和处理中心［5］。阅读器通常由收发天线、频率产生器、锁相环、调制电路、微处理器、存储器、解调电路和外设接口组成［6］，在一定的范围内发送射频能量形成电磁场。系统工作时，当电子标签进入电磁场识别范围后，感应到阅读器发出的射频信号，被动标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，标签则主动发送某一频率的信号［7］，阅读器读取标签信息后进行解码，并通过接口与计算机进行通信，将数据发送到管理系统。

RFID标签天线根据制造工艺、导线材质、材料结构的不同，可分成印刷天线、绕线天线、陶瓷天线等。本文的RFID技术用于实验室设备，一般为金属材质，且需要进行远距离识别，结合了陶瓷天线抗金属、远距离读取、耐高温等特性，因此采用超高频RFID陶瓷标签。阅读器可分为手持式与固定式两种，本文涉及两种阅读器，其中固定式安装在实验室门口，用于设备入库、出库的读取，手持式用于进行定期盘点。

二、基于RFID位置感知技术的实验室设备管理系统方案设计

基于RFID位置感知技术的实验室设备管理系统架构如图1所示。感知层主要由RFID标签、天线、RFID阅读器组成，通过RFID标签感知到设备信息，即将标签贴在设备上，在每个实验室大门附近安装固定的阅读器，并根据实验室的面积和RFID识读覆盖面积确定安装个数；网络层是将感知层获取的信息通过应用传输到数据库中，以保障感知层和应用层之间的数据通信；应用层分为用户管理应用、在线盘点应用、入库出库应用和数据库，其中应用属于人机交换的界面，数据库则用于存储人员信息、设备信息及设备变更信息等。

基于RFID位置感知技术的实验室设备管理系统根据功能模块分为RFID通道门模块、Web端实验设备管理模块和便携式设备盘点模块。RFID通道门模块用于实验室设备的进出管理，采用超高频RFID射频技术，以发挥RFID标签快速和批量识别、防盗报警的作用；Web端实验设备管理模块用于平台的用户管理、设备出入库管理，以及与通道门模块和便携式设备盘点模块通信；便携式设备盘点模块旨在实现对实验室内设备的在线实时盘点。

在设备第一次入库时，RFID标签固定在对应的设备上，与通道门的阅读器之间使用系统天线传送特定频率的电磁波。当贴有RFID标签的设备进入对应实验室时，标签被激活并使用调制技术将标签编号通过反射波回传，RFID阅读器通过天线接收到反射信息，将信息进行解调和解码，得到标签编号。因此，可获取对应设备信息，启动Web端实验室管理模块，后台系统将设备信息和标签写入到该实验室中，完成设备的入库。设备出库则应事先在Web端实验设备管理模块上申请，申请通过后设备搬出时，通道门可以识别设备搬出动作，完成设备的出库；如未申请通过，设备直接搬出会触发防盗报警。设备应定期通过便携式设备盘点模块进行盘点，操作者启动便携式设备盘点模块，在可识别范围内设备经过则自动完成设备盘点，并将盘点结果发送到Web端实验设备管理模块。三个模块相互作用，以对设备定位和溯源。

Web端实验设备管理模块作为系统的主要部分，包括用户管理应用、在线盘点应用、入库出库应用三个后台应用，硬件部分包括标签、天线、RFID阅读器、计算机、交换机、服务器等设备。设备管理人员通过后台可实现对实验设备与标签信息的绑定录入，掌握实验设备的状态和具体的位置信息，防止出现设备丢失的情况。RFID标签通过与RFID阅读器之间的通信可以实现设备的定位。本文涉及的软硬件结构如图2所示。

图2 软硬件整体结构

三、系统实现

我们根据系统方案进行RFID通道门模块、Web端实验设备管理模块、便携式设备盘点模块三个模块的功能开发。

RFID通道门模块的实现如图3所示，可完成通道门的硬件启动与停止，同时快速识别RFID标签并将识别结果发送到设备管理模块。

图3 RFID通道门模块

Web端实验设备管理模块的实现如图4所示，可完成设备的出入库、实验室管理、设备管理、设备盘点等功能。

图4 Web端实验设备管理模块

便携式设备盘点模块实现如图5所示，可完成设备查看与设备盘点。

图5 便携式设备盘点模块

实验室设备管理是实验教学中的重要环节。本文通过RFID位置感知技术实现了实验设备的出入库、盘点、定位等功能，加强了对实验设备尤其是流动性较强的设备的管理，提高了设备管理的实时性、稳定性、准确性，有利于实验设备管理人员快速定位设备，掌握设备状态，大大减少了实验管理人员的人力成本。同时，有效防止了设备丢失的情况，节约了时间成本，对实验室设备的智能化管理具有重大意义。