摘  要： 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)以及Spring框架技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于RFID系統(tǒng)和Spring框架的智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足目前實(shí)驗(yàn)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(gè)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(guó)高等教育事業(yè)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)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(lái)越多的重視。實(shí)驗(yàn)室管理工作涵蓋了實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)人員管理、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理、實(shí)驗(yàn)課程管理以及各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等工作內(nèi)容。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)管理模式中，上述的工作基本都是各自獨(dú)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(duì)和統(tǒng)計(jì)等工作。實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備數(shù)量很大，并且種類(lèi)繁多，手工建賬管理效率很低，出錯(cuò)率高；設(shè)備的各種借調(diào)，手工進(jìn)行登記很難完整、及時(shí)地跟蹤設(shè)備的借用人和所在地；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室人員繁雜，無(wú)法進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)人員跟蹤記錄和授權(quán)管理；實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量逐年增加，并且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)常變更，給管理和統(tǒng)計(jì)等工作帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

　　在一些高校中，已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)室中采用了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，具備上述幾個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)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(duì)于設(shè)備的建賬、盤(pán)點(diǎn)、巡檢，基本上還是采用手工的方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理；另外，這些系統(tǒng)中較少將實(shí)驗(yàn)課程的管理功能也納入其中，對(duì)于相應(yīng)的排課和統(tǒng)計(jì)等工作，仍需要獨(dú)立進(jìn)行。

　　針對(duì)上述提到的一些問(wèn)題和不足，本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理；同時(shí)，設(shè)計(jì)B/S架構(gòu)，采用Spring框架開(kāi)發(fā)完整的管理系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)人員管理、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理、實(shí)驗(yàn)課程管理和統(tǒng)計(jì)報(bào)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(guò)射頻識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)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(hù)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(dòng)力[5]，得到了飛快的發(fā)展。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)電磁耦合來(lái)自動(dòng)識(shí)別管理對(duì)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(lèi)[6]。

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

　?。?）被動(dòng)式標(biāo)簽：由讀寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)觸發(fā)后進(jìn)入通信狀態(tài)的標(biāo)簽稱(chēng)為被動(dòng)式標(biāo)簽。被動(dòng)式標(biāo)簽的通信能量從讀寫(xiě)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(yùn)轉(zhuǎn)提供能量，這種標(biāo)簽也稱(chēng)為半主動(dòng)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(gè)標(biāo)簽具有唯一的RFID編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，一般情況下，標(biāo)簽已經(jīng)包含了標(biāo)簽天線(xiàn)。

　　讀寫(xiě)器是讀?。ɑ?qū)懭耄?biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。

　　天線(xiàn)用來(lái)在標(biāo)簽和讀寫(xiě)器間傳遞射頻信號(hào)。

　　RFID系統(tǒng)有以下3大特點(diǎn)：（1）可以標(biāo)識(shí)每個(gè)物體，而不像條形碼是用來(lái)識(shí)別一類(lèi)物體；（2）可以非接觸遠(yuǎn)距離同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)讀，而條形碼只能在非常近的距離一個(gè)一個(gè)地識(shí)讀；（3）儲(chǔ)存的信息量非常大。鑒于上述的優(yōu)點(diǎn)，采用RFID系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的建賬、盤(pán)點(diǎn)和巡檢工具，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理。

　　2 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備自動(dòng)化管理

　　通過(guò)前面的分析，可以使用RFID技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理。下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理的幾個(gè)方面，逐一進(jìn)行說(shuō)明。

　　2.1 設(shè)備建賬

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成采購(gòu)后，為其貼上RFID電子標(biāo)簽，并通過(guò)RFID讀寫(xiě)器，將設(shè)備建賬所需的信息，寫(xiě)入到電子標(biāo)簽中；并通過(guò)管理系統(tǒng)，將設(shè)備信息寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)化管理，提供了相應(yīng)的必要條件。

　　通過(guò)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(hào)、規(guī)格、單價(jià)、出廠(chǎng)日期、出場(chǎng)編號(hào)、使用單位、存放地點(diǎn)和維修紀(jì)錄等多種信息；同時(shí)，還可以存儲(chǔ)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(pán)點(diǎn)

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有電子標(biāo)簽后，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器，連接相應(yīng)的管理系統(tǒng)后，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備盤(pán)點(diǎn)的自動(dòng)化操作。無(wú)需像條形碼一樣，逐一近距離地掃描，通過(guò)手持RFID讀寫(xiě)器，在有效的輻射距離內(nèi)，就可以完成實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備標(biāo)簽掃描；通過(guò)RFID讀寫(xiě)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的盤(pán)點(diǎn)工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化盤(pán)點(diǎn)。

　　自動(dòng)化盤(pán)點(diǎn)，可以減少管理人員工作量，并提高盤(pán)點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

　　2.3 設(shè)備借調(diào)

　　在實(shí)驗(yàn)室的出入門(mén)，安裝固定式的RFID讀寫(xiě)器。設(shè)備進(jìn)行借調(diào)時(shí)，當(dāng)設(shè)備經(jīng)過(guò)RFID讀寫(xiě)器時(shí)，電子標(biāo)簽自動(dòng)被掃描；通過(guò)管理系統(tǒng)，將設(shè)備的借出信息記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中；并且，可以通過(guò)RFID讀寫(xiě)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(guò)這樣的借調(diào)管理，在進(jìn)行設(shè)備盤(pán)點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)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(guò)電子標(biāo)簽，可以將設(shè)備的巡檢記錄信息，存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中；在每次巡檢時(shí)，就可以明確該設(shè)備的具體運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，基本可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理；在減少管理人員工作量的同時(shí)，提高管理工作的效率和準(zhǔn)確率。

　　3 智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文所說(shuō)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理工作的自動(dòng)化和智能化。系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)采用RFID系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)識(shí)、跟蹤以及門(mén)禁系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理，設(shè)計(jì)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(lái)搭建整個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備管理子系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理子系統(tǒng)，主要功能包括兩方面。

　?。?）實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息維護(hù)：設(shè)備建賬、設(shè)備借調(diào)、設(shè)備盤(pán)點(diǎn)、設(shè)備巡檢以及設(shè)備維護(hù)、設(shè)備更新、報(bào)廢等功能；

　　（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備統(tǒng)計(jì)：設(shè)備查詢(xún)、設(shè)備統(tǒng)計(jì)和生成報(bào)表等功能。

　　此模塊的硬件部分設(shè)計(jì)采用如前所述的RFID系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的自動(dòng)化；RFID系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的接口實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)連接，實(shí)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(wèn)題。在RFID系統(tǒng)的選擇上，主要需要考慮識(shí)別距離、識(shí)別準(zhǔn)確性、安全性，以及讀寫(xiě)器的易用性和豐富的接口標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這幾個(gè)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(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)讀率高、讀寫(xiě)速度塊、防沖突能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，讀卡距離達(dá) 3 m~10 m，比較適合高校實(shí)驗(yàn)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(wú)線(xiàn)方式、有線(xiàn)方式等，而且都有比較成熟的解決方案。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理子系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理子系統(tǒng)模塊主要完成與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的功能，包括：實(shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)課程排課、實(shí)驗(yàn)設(shè)備預(yù)約、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。此模塊是標(biāo)準(zhǔn)的信息管理系統(tǒng)，大部分功能通過(guò)軟件系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。需要說(shuō)明的一點(diǎn)，是實(shí)驗(yàn)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(duì)接，查詢(xún)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并更新相應(yīng)的實(shí)用狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)定管理。

　　3.3 實(shí)驗(yàn)人員管理子系統(tǒng)

　　此處提到的實(shí)驗(yàn)人員管理，主要是針對(duì)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理所提出的。在開(kāi)放的使用環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)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(jì)采用RFID系統(tǒng)，結(jié)合人員管理模塊，完成自動(dòng)化的人員管理。主要功能包括人員登記注冊(cè)、人員信息維護(hù)和權(quán)限管理等。

　　硬件方面，需要在實(shí)驗(yàn)室的出入門(mén)安裝固定式的RFID讀寫(xiě)器，作為出入門(mén)禁；為需要出入實(shí)驗(yàn)室的人員，派發(fā)貼有電子標(biāo)簽的門(mén)卡，并將相關(guān)的人員信息，寫(xiě)入相應(yīng)的電子標(biāo)簽中；RFID讀寫(xiě)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(xiě)入等操作。

　　此模塊的門(mén)禁系統(tǒng)工作流程示意圖如圖4所示。

　　其他幾個(gè)模塊的功能與現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)基本類(lèi)似，在此不做特別說(shuō)明。

　　針對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題和不足，本文利用RFID系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備管理以及Spring架構(gòu)的靈活應(yīng)用等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室完整的、自動(dòng)化式的管理。此系統(tǒng)能夠完成大部分的實(shí)驗(yàn)室管理工作，并能夠大大降低實(shí)驗(yàn)人員的手動(dòng)工作量，提高工作效率；同時(shí)，能夠提高各種管理和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠性。目前該系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段，一些實(shí)現(xiàn)過(guò)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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