摘  要： 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)以及Spring框架技術(shù)，設(shè)計了基于RFID系統(tǒng)和Spring框架的智能化實驗室管理系統(tǒng)，以滿足目前實驗室管理工作的要求。著重闡明RFID系統(tǒng)的搭建以及管理系統(tǒng)的各個功能模塊。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；RFID；電子標(biāo)簽；Spring框架

　　隨著我國高等教育事業(yè)的快速發(fā)展，實驗室建設(shè)和管理作為高校教學(xué)和科研的重要組成部分，也受到越來越多的重視。實驗室管理工作涵蓋了實驗設(shè)備管理、實驗人員管理、實驗室開放管理、實驗課程管理以及各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計等工作內(nèi)容。在傳統(tǒng)的實驗管理模式中，上述的工作基本都是各自獨立完成，并且大部分還采用手工進(jìn)行設(shè)備建賬、數(shù)據(jù)核對和統(tǒng)計等工作。實驗室的設(shè)備數(shù)量很大，并且種類繁多，手工建賬管理效率很低，出錯率高；設(shè)備的各種借調(diào)，手工進(jìn)行登記很難完整、及時地跟蹤設(shè)備的借用人和所在地；同時，實驗室人員繁雜，無法進(jìn)行完整的實驗人員跟蹤記錄和授權(quán)管理；實驗課程數(shù)量逐年增加，并且實驗內(nèi)容經(jīng)常變更，給管理和統(tǒng)計等工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。

　　在一些高校中，已經(jīng)在一些實驗室中采用了統(tǒng)一的實驗室管理系統(tǒng)，具備上述幾個模塊的實驗室管理功能。管理系統(tǒng)的采用，提高了相應(yīng)工作的效率，減少了部分手工工作。但是，目前這些系統(tǒng)對于設(shè)備的建賬、盤點、巡檢，基本上還是采用手工的方式，無法實現(xiàn)自動化管理；另外，這些系統(tǒng)中較少將實驗課程的管理功能也納入其中，對于相應(yīng)的排課和統(tǒng)計等工作，仍需要獨立進(jìn)行。

　　針對上述提到的一些問題和不足，本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的自動化管理；同時，設(shè)計B/S架構(gòu)，采用Spring框架開發(fā)完整的管理系統(tǒng)，包括實驗設(shè)備管理、實驗人員管理、實驗室開放管理、實驗課程管理和統(tǒng)計報表等功能模塊。

　　1 物聯(lián)網(wǎng)

　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其本質(zhì)含義就是物體與物體相連的網(wǎng)絡(luò)。是指通過射頻識別（RFID）等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-2]。主要包括兩層含義：（1）物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；（2）其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信[3-4]。

　　1.2 RFID技術(shù)

　　RFID技術(shù)作為催生與促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的動力[5]，得到了飛快的發(fā)展。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它利用射頻信號通過電磁耦合來自動識別管理對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　RFID根據(jù)標(biāo)簽工作方式，主要分為兩類[6]。

　　（1）主動式標(biāo)簽：用自身的射頻能量主動地發(fā)射數(shù)據(jù)給讀寫器的標(biāo)簽。主動式標(biāo)簽含有電源；

　?。?）被動式標(biāo)簽：由讀寫器發(fā)出的信號觸發(fā)后進(jìn)入通信狀態(tài)的標(biāo)簽稱為被動式標(biāo)簽。被動式標(biāo)簽的通信能量從讀寫器發(fā)射的電磁波中獲得，它既有不含電源的標(biāo)簽，也有含有電源的標(biāo)簽。含有電源的標(biāo)簽，電源只為芯片運轉(zhuǎn)提供能量，這種標(biāo)簽也稱為半主動標(biāo)簽。

　　RFID系統(tǒng)一般由3部分組成，如圖1所示。

　　電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的RFID編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象，一般情況下，標(biāo)簽已經(jīng)包含了標(biāo)簽天線。

　　讀寫器是讀取（或?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。

　　天線用來在標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號。

　　RFID系統(tǒng)有以下3大特點：（1）可以標(biāo)識每個物體，而不像條形碼是用來識別一類物體；（2）可以非接觸遠(yuǎn)距離同時對多個物體進(jìn)行識讀，而條形碼只能在非常近的距離一個一個地識讀；（3）儲存的信息量非常大。鑒于上述的優(yōu)點，采用RFID系統(tǒng)作為實驗設(shè)備的建賬、盤點和巡檢工具，可以實現(xiàn)實驗設(shè)備的自動化管理。

　　2 實驗室設(shè)備自動化管理

　　通過前面的分析，可以使用RFID技術(shù)，來實現(xiàn)實驗設(shè)備的自動化管理。下面結(jié)合實驗設(shè)備管理的幾個方面，逐一進(jìn)行說明。

　　2.1 設(shè)備建賬

　　實驗設(shè)備完成采購后，為其貼上RFID電子標(biāo)簽，并通過RFID讀寫器，將設(shè)備建賬所需的信息，寫入到電子標(biāo)簽中；并通過管理系統(tǒng)，將設(shè)備信息寫入到數(shù)據(jù)庫中，完成設(shè)備建賬操作。完成此建賬操作后，為后續(xù)的設(shè)備自動化管理，提供了相應(yīng)的必要條件。

　　通過使用電子標(biāo)簽，可以保存更為完善的設(shè)備相關(guān)信息，包括型號、規(guī)格、單價、出廠日期、出場編號、使用單位、存放地點和維修紀(jì)錄等多種信息；同時，還可以存儲復(fù)雜設(shè)備的一些幫助信息等。完善的信息為設(shè)備的管理和使用提供了更多的便利。

　　2.2 設(shè)備盤點

　　實驗設(shè)備具有電子標(biāo)簽后，通過RFID讀寫器，連接相應(yīng)的管理系統(tǒng)后，就可以實現(xiàn)設(shè)備盤點的自動化操作。無需像條形碼一樣，逐一近距離地掃描，通過手持RFID讀寫器，在有效的輻射距離內(nèi)，就可以完成實驗室中的設(shè)備標(biāo)簽掃描；通過RFID讀寫器與管理系統(tǒng)的連接，將掃描信息進(jìn)行處理，就可以完成實驗設(shè)備的盤點工作，實現(xiàn)自動化盤點。

　　自動化盤點，可以減少管理人員工作量，并提高盤點數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

　　2.3 設(shè)備借調(diào)

　　在實驗室的出入門，安裝固定式的RFID讀寫器。設(shè)備進(jìn)行借調(diào)時，當(dāng)設(shè)備經(jīng)過RFID讀寫器時，電子標(biāo)簽自動被掃描；通過管理系統(tǒng)，將設(shè)備的借出信息記錄到數(shù)據(jù)庫中；并且，可以通過RFID讀寫器，將設(shè)備的借出信息，記錄到設(shè)備的電子標(biāo)簽中。

　　通過這樣的借調(diào)管理，在進(jìn)行設(shè)備盤點時，可以通過管理系統(tǒng)中的相關(guān)記錄，清晰、準(zhǔn)確的跟蹤到借調(diào)設(shè)備的具體信息。

　　2.4 設(shè)備巡檢

　　通過電子標(biāo)簽，可以將設(shè)備的巡檢記錄信息，存儲在電子標(biāo)簽中；在每次巡檢時，就可以明確該設(shè)備的具體運行狀態(tài)，以及最近的巡檢情況等信息；大大提高了巡檢的工作效率，也為實驗設(shè)備的責(zé)任事故等，提供了比較可靠的依據(jù)。

　　綜上所述，采用RFID系統(tǒng)，結(jié)合實驗室管理系統(tǒng)，基本可以實現(xiàn)實驗設(shè)備的自動化管理；在減少管理人員工作量的同時，提高管理工作的效率和準(zhǔn)確率。

　　3 智能化實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

　　本文所說的智能化管理系統(tǒng)，主要是指借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合軟件程序，實現(xiàn)實驗室管理工作的自動化和智能化。系統(tǒng)硬件部分設(shè)計采用RFID系統(tǒng)作為實驗設(shè)備的標(biāo)識、跟蹤以及門禁系統(tǒng)；實驗室開放管理，設(shè)計安裝監(jiān)控系統(tǒng)，并且與管理系統(tǒng)相連接；軟件部分采用主流的B/S系統(tǒng)架構(gòu)，利用當(dāng)前主流的Spring框架來搭建整個管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括以下幾大模塊，如圖2所示。

　　3.1 實驗設(shè)備管理子系統(tǒng)

　　實驗設(shè)備管理子系統(tǒng)，主要功能包括兩方面。

　?。?）實驗設(shè)備信息維護(hù)：設(shè)備建賬、設(shè)備借調(diào)、設(shè)備盤點、設(shè)備巡檢以及設(shè)備維護(hù)、設(shè)備更新、報廢等功能；

　　（2）實驗設(shè)備統(tǒng)計：設(shè)備查詢、設(shè)備統(tǒng)計和生成報表等功能。

　　此模塊的硬件部分設(shè)計采用如前所述的RFID系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備管理的自動化；RFID系統(tǒng)通過相應(yīng)的接口實驗管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)管理系統(tǒng)的相應(yīng)功能。模塊架構(gòu)示意圖如圖3所示。

　　該模塊的技術(shù)關(guān)鍵是RFID系統(tǒng)的選擇，以及RFID系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間的連接方式問題。在RFID系統(tǒng)的選擇上，主要需要考慮識別距離、識別準(zhǔn)確性、安全性，以及讀寫器的易用性和豐富的接口標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這幾個方面的要求，可以考慮使用比較先進(jìn)的UHF（超高頻）RFID系統(tǒng)[7]，此系統(tǒng)具有識別距離遠(yuǎn)、識讀率高、讀寫速度塊、防沖突能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點，讀卡距離達(dá) 3 m~10 m，比較適合高校實驗室環(huán)境使用。RFID系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的接口方式，目前有比較多的選擇，包括無線方式、有線方式等，而且都有比較成熟的解決方案。

　　3.2 實驗教學(xué)管理子系統(tǒng)

　　實驗教學(xué)管理子系統(tǒng)模塊主要完成與實驗教學(xué)相關(guān)的功能，包括：實驗課程管理、實驗課程排課、實驗設(shè)備預(yù)約、實驗成績管理以及實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。此模塊是標(biāo)準(zhǔn)的信息管理系統(tǒng)，大部分功能通過軟件系統(tǒng)即可實現(xiàn)。需要說明的一點，是實驗設(shè)備預(yù)約功能，此功能必須與設(shè)備管理子系統(tǒng)進(jìn)行對接，查詢相關(guān)的實驗設(shè)備，并更新相應(yīng)的實用狀態(tài)，從而實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)定管理。

　　3.3 實驗人員管理子系統(tǒng)

　　此處提到的實驗人員管理，主要是針對開放式實驗室管理所提出的。在開放的使用環(huán)境中，實驗室使用人員比較繁雜，傳統(tǒng)的登記方式很難進(jìn)行管理。本文設(shè)計采用RFID系統(tǒng)，結(jié)合人員管理模塊，完成自動化的人員管理。主要功能包括人員登記注冊、人員信息維護(hù)和權(quán)限管理等。

　　硬件方面，需要在實驗室的出入門安裝固定式的RFID讀寫器，作為出入門禁；為需要出入實驗室的人員，派發(fā)貼有電子標(biāo)簽的門卡，并將相關(guān)的人員信息，寫入相應(yīng)的電子標(biāo)簽中；RFID讀寫器與人員管理子系統(tǒng)進(jìn)行連接，完成電子標(biāo)簽信息的讀取和寫入等操作。

　　此模塊的門禁系統(tǒng)工作流程示意圖如圖4所示。

　　其他幾個模塊的功能與現(xiàn)有的一些實驗室管理系統(tǒng)基本類似，在此不做特別說明。

　　針對傳統(tǒng)和現(xiàn)有的實驗室管理系統(tǒng)存在的問題和不足，本文利用RFID系統(tǒng)的自動化設(shè)備管理以及Spring架構(gòu)的靈活應(yīng)用等特點，設(shè)計了基于RFID系統(tǒng)以及Spring框架的硬件和軟件系統(tǒng)的完整的實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室完整的、自動化式的管理。此系統(tǒng)能夠完成大部分的實驗室管理工作，并能夠大大降低實驗人員的手動工作量，提高工作效率；同時，能夠提高各種管理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠性。目前該系統(tǒng)還處于設(shè)計階段，一些實現(xiàn)過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)，還需要在后續(xù)的研究中逐一明確和完善。

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