RFID技术在开放性实验室管理系统中的应用

2012-07-04窦慧洋宁向平

制造业自动化 2012年7期

董超，翟猛，窦慧洋，宁向平

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

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

0 引言

实验室建设是高校教育事业赖以生存和发展的前提，尤其是开放性实验室建设对学生的创新意识和综合素质的提高起着至关重要的作用。传统的开放实验室普遍存在着实验人员不足和实验设备空闲率高两方面难题。鉴于以上问题，特提出基于RFID技术结合Internet技术构建开放性实验室管理系统，解决传统的开放性实验室存在的问题，提高实验室管理效率和水平。

1 RFID技术简介

RFID(Radio Frequency Identification的缩写)，即射频识别，俗称电子标签，是从上世纪八十年代起走向成熟的一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID有读取方便快捷、识别速度快、数据容量大和标签数据可动态更改的特点[1]。

目前RFID技术已在以下四个方面得到了成熟的应用。

1）物流：物流仓储是RFID技术重要应用领域之一。可应用的过程包括：物流过程中的货物追踪、信息自动采集、仓储管理应用、港口应用、邮政包裹和快递等。

2）零售：沃尔玛、麦德隆等大型超市已采用了RFID技术达到了降低劳动力成本和提高商品的可视度，降低因商品断货造成的损失，减少商品偷窃现象的目的。_

3）医疗：应用于医院的医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗等领域。医疗行业对标签的成本比较不敏感，所以该行业是RFID技术应用的一个重要领域。

4）制造业：应用于生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产和个性化生产等。在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切。

由此可见RFID技术已在社会生活的各个方面得到了成熟的应用，因此提出RFID技术在开放性实验室管理系统中的应用。

2 系统结构及功能

2.1 实验室人员管理模块及构成

该模块主要由两大部分组成，即学生端和管理端。如图1所示，学生端主要为学生服务，主要功能为实验室预订、实验室信息查询及个人信息查询。管理端主要实现实验室管理人员对实验室进行管理和对实验设备利用情况等进行评估[2]。

从图1可以看出该模块增加了学生与实验室管理者的交互，在实验室预订模块中，学生可以根据自己的需要在线查询和预订实验室，预订内容可以包括时间、题目、所需设备等，预订完成后数据录入数据库，而管理端则可以利用RFID技术对进入实验室人员进行自动登记，实现刷卡上机功能。此外还可以对实验课的考勤情况和实验考试成绩进行查询统计，以达到统一管理的管理目标[3]。

图1 人员管理模块结构图

RFID 射频识别技术实现的关键在于射频识别器的应用，考虑到与校园一卡通的兼容性，采用NXP生产的MF RC500非接触IC卡/电子标签读写器，可以读写符合ISO14443标准的非接触IC卡及符合ISO15693标准的RFID电子标签，支持的卡片种类有：Mifare One、Mifare Pro、上海复旦、AT88RF020、SR176、SRIX4K（TYPE-B）以及符合ISO14443 TYPE-A 或 ISO14443 TYPE-B的双界面CPU卡，在此基础上只需要占用校园一卡通的一个或几个扇区即可实现所需功能[4]。

2.2 实验设备管理模块及构成

使用RFlD技术对实验设备进行管理，采用电子标签将实验物品的基本属性和帮助化信息等内容存储起来，通过阅读器或网络管理的方式来实现。这些基本信息包括型号、规格、单价、出厂日期、设备号、使用单位、使用地点、维修纪录和生产厂家等多种信息。传统的纸质标签即使能够将全部信息表示出来，但费工费力，且维护工作量大。统一使用电子标签后，每个仪器将带有一个具有存储芯片的模块，上述所有的仪器信息将全部存储在模块中[6]。当仪器的内容发生变化时，用手持读/写卡器将很容易地修改芯片的内容，完成电子标签内容的更新[7]。

如图2所示，设备维护巡检后的信息在现场可以录入手持机，同时存储于设备上的电子标签，不仅节省了人力物力，同时也提高了实验设备的使用效率，并使学校用于设备维护的成本降低。

图2 设备管理模块结构图

应用射频跟踪自动识别管理系统，可以储存大量的设备信息，同时还有每次维护、维修和巡检的相应记录，这样可以预防由于不确定原因造成原设备建档档案损坏和遗失造成的设备信息资料的丢失，而且每次巡检和维护必须做到对每一台实验设备的情况进行了解，并作相应的信息存储操作，这样可以避免对设备巡检和维护工作的疏漏。由于每次巡检和维护的结果都存储于芯片而且这些信息是不能够被随意更改的，这就避免了如果出现与实验设备相关的责任事故时不能明确是人为责任还是设备责任的问题，使实验设备日常维护工作变得有据可查。

2.3 人员和设备定位模块

RFID技术在无线传输环境中对物品的识别定位方面有着得天独厚的优势。利用附着在物品上的RFID有源标签作为发射信号源，读写器作为接收设备，实现对物品的无线定位。

定位算法采用TDOA（Time Difference of Arrival）到达时间差法，TDOA算法是对TOA算法的改进，该算法不是直接利用信号到达时间，而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置，利用移动台到达2个基站的时间TOA，取其差值来获得。采用这种方法需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似时，可减少由多径效应带来的误差。