摘 要: 結合物聯網以及Spring框架技術,設計了基于RFID系統和Spring框架的智能化實驗室管理系統,以滿足目前實驗室管理工作的要求。著重闡明RFID系統的搭建以及管理系統的各個功能模塊。
關鍵詞: 物聯網;RFID;電子標簽;Spring框架
隨著我國高等教育事業的快速發展,實驗室建設和管理作為高校教學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據統計等工作內容。在傳統的實驗管理模式中,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行設備建賬、數據核對和統計等工作。實驗室的設備數量很大,并且種類繁多,手工建賬管理效率很低,出錯率高;設備的各種借調,手工進行登記很難完整、及時地跟蹤設備的借用人和所在地;同時,實驗室人員繁雜,無法進行完整的實驗人員跟蹤記錄和授權管理;實驗課程數量逐年增加,并且實驗內容經常變更,給管理和統計等工作帶來了更大的挑戰。
在一些高校中,已經在一些實驗室中采用了統一的實驗室管理系統,具備上述幾個模塊的實驗室管理功能。管理系統的采用,提高了相應工作的效率,減少了部分手工工作。但是,目前這些系統對于設備的建賬、盤點、巡檢,基本上還是采用手工的方式,無法實現自動化管理;另外,這些系統中較少將實驗課程的管理功能也納入其中,對于相應的排課和統計等工作,仍需要獨立進行。
針對上述提到的一些問題和不足,本文采用物聯網技術實現設備的自動化管理;同時,設計B/S架構,采用Spring框架開發完整的管理系統,包括實驗設備管理、實驗人員管理、實驗室開放管理、實驗課程管理和統計報表等功能模塊。
1 物聯網
1.1 物聯網技術
物聯網是新一代信息技術的重要組成部分,其本質含義就是物體與物體相連的網絡。是指通過射頻識別(RFID)等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網相連接,進行信息交換和通信,以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1-2]。主要包括兩層含義:(1)物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;(2)其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通信[3-4]。
1.2 RFID技術
RFID技術作為催生與促進物聯網發展的動力[5],得到了飛快的發展。RFID是一種非接觸式的自動識別技術,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數據。
RFID根據標簽工作方式,主要分為兩類[6]。
(1)主動式標簽:用自身的射頻能量主動地發射數據給讀寫器的標簽。主動式標簽含有電源;
(2)被動式標簽:由讀寫器發出的信號觸發后進入通信狀態的標簽稱為被動式標簽。被動式標簽的通信能量從讀寫器發射的電磁波中獲得,它既有不含電源的標簽,也有含有電源的標簽。含有電源的標簽,電源只為芯片運轉提供能量,這種標簽也稱為半主動標簽。
RFID系統一般由3部分組成,如圖1所示。
電子標簽由耦合元件及芯片組成,每個標簽具有唯一的RFID編碼,附著在物體上標識目標對象,一般情況下,標簽已經包含了標簽天線。
讀寫器是讀取(或寫入)標簽信息的設備,可設計為手持式或固定式。
天線用來在標簽和讀寫器間傳遞射頻信號。
RFID系統有以下3大特點:(1)可以標識每個物體,而不像條形碼是用來識別一類物體;(2)可以非接觸遠距離同時對多個物體進行識讀,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。鑒于上述的優點,采用RFID系統作為實驗設備的建賬、盤點和巡檢工具,可以實現實驗設備的自動化管理。
2 實驗室設備自動化管理
通過前面的分析,可以使用RFID技術,來實現實驗設備的自動化管理。下面結合實驗設備管理的幾個方面,逐一進行說明。
2.1 設備建賬
實驗設備完成采購后,為其貼上RFID電子標簽,并通過RFID讀寫器,將設備建賬所需的信息,寫入到電子標簽中;并通過管理系統,將設備信息寫入到數據庫中,完成設備建賬操作。完成此建賬操作后,為后續的設備自動化管理,提供了相應的必要條件。
通過使用電子標簽,可以保存更為完善的設備相關信息,包括型號、規格、單價、出廠日期、出場編號、使用單位、存放地點和維修紀錄等多種信息;同時,還可以存儲復雜設備的一些幫助信息等。完善的信息為設備的管理和使用提供了更多的便利。
2.2 設備盤點
實驗設備具有電子標簽后,通過RFID讀寫器,連接相應的管理系統后,就可以實現設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,就可以完成實驗室中的設備標簽掃描;通過RFID讀寫器與管理系統的連接,將掃描信息進行處理,就可以完成實驗設備的盤點工作,實現自動化盤點。
自動化盤點,可以減少管理人員工作量,并提高盤點數據的準確率。
2.3 設備借調
在實驗室的出入門,安裝固定式的RFID讀寫器。設備進行借調時,當設備經過RFID讀寫器時,電子標簽自動被掃描;通過管理系統,將設備的借出信息記錄到數據庫中;并且,可以通過RFID讀寫器,將設備的借出信息,記錄到設備的電子標簽中。
通過這樣的借調管理,在進行設備盤點時,可以通過管理系統中的相關記錄,清晰、準確的跟蹤到借調設備的具體信息。
2.4 設備巡檢
通過電子標簽,可以將設備的巡檢記錄信息,存儲在電子標簽中;在每次巡檢時,就可以明確該設備的具體運行狀態,以及最近的巡檢情況等信息;大大提高了巡檢的工作效率,也為實驗設備的責任事故等,提供了比較可靠的依據。
綜上所述,采用RFID系統,結合實驗室管理系統,基本可以實現實驗設備的自動化管理;在減少管理人員工作量的同時,提高管理工作的效率和準確率。
3 智能化實驗室管理系統設計
本文所說的智能化管理系統,主要是指借助于物聯網技術,結合軟件程序,實現實驗室管理工作的自動化和智能化。系統硬件部分設計采用RFID系統作為實驗設備的標識、跟蹤以及門禁系統;實驗室開放管理,設計安裝監控系統,并且與管理系統相連接;軟件部分采用主流的B/S系統架構,利用當前主流的Spring框架來搭建整個管理系統。系統主要包括以下幾大模塊,如圖2所示。
3.1 實驗設備管理子系統
實驗設備管理子系統,主要功能包括兩方面。
(1)實驗設備信息維護:設備建賬、設備借調、設備盤點、設備巡檢以及設備維護、設備更新、報廢等功能;
(2)實驗設備統計:設備查詢、設備統計和生成報表等功能。
此模塊的硬件部分設計采用如前所述的RFID系統,實現設備管理的自動化;RFID系統通過相應的接口實驗管理系統連接,實現管理系統的相應功能。模塊架構示意圖如圖3所示。
該模塊的技術關鍵是RFID系統的選擇,以及RFID系統與管理系統之間的連接方式問題。在RFID系統的選擇上,主要需要考慮識別距離、識別準確性、安全性,以及讀寫器的易用性和豐富的接口標準。根據這幾個方面的要求,可以考慮使用比較先進的UHF(超高頻)RFID系統[7],此系統具有識別距離遠、識讀率高、讀寫速度塊、防沖突能力強、可擴展性好等特點,讀卡距離達 3 m~10 m,比較適合高校實驗室環境使用。RFID系統與管理系統的接口方式,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 實驗教學管理子系統
實驗教學管理子系統模塊主要完成與實驗教學相關的功能,包括:實驗課程管理、實驗課程排課、實驗設備預約、實驗成績管理以及實驗數據統計等。此模塊是標準的信息管理系統,大部分功能通過軟件系統即可實現。需要說明的一點,是實驗設備預約功能,此功能必須與設備管理子系統進行對接,查詢相關的實驗設備,并更新相應的實用狀態,從而實現設備的預定管理。
3.3 實驗人員管理子系統
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。在開放的使用環境中,實驗室使用人員比較繁雜,傳統的登記方式很難進行管理。本文設計采用RFID系統,結合人員管理模塊,完成自動化的人員管理。主要功能包括人員登記注冊、人員信息維護和權限管理等。
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,派發貼有電子標簽的門卡,并將相關的人員信息,寫入相應的電子標簽中;RFID讀寫器與人員管理子系統進行連接,完成電子標簽信息的讀取和寫入等操作。
此模塊的門禁系統工作流程示意圖如圖4所示。
其他幾個模塊的功能與現有的一些實驗室管理系統基本類似,在此不做特別說明。
針對傳統和現有的實驗室管理系統存在的問題和不足,本文利用RFID系統的自動化設備管理以及Spring架構的靈活應用等特點,設計了基于RFID系統以及Spring框架的硬件和軟件系統的完整的實驗室管理系統,實現實驗室完整的、自動化式的管理。此系統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計數據的準確和可靠性。目前該系統還處于設計階段,一些實現過程中的技術細節,還需要在后續的研究中逐一明確和完善。
參考文獻
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[3] 王瑾.基于物聯網的實驗室管理技術[J].電腦知識與技術,2010(7):5741-5742.
[4] 沙波.RFID與物聯網技術[J].電腦知識與技術,2011(3):1938-1939.
[5] 柳維長.RFID與物聯網[J].信息與電腦,2010(10):32-34.
[6] 寧煥生,張彥.RFID與物聯網:射頻、中間件、解析與服務[M].北京:電子工業出版社,2008.
[7] Hu Bin. The design and implementation of lab equipments management system in university based on internet of things[C]. International Conference on Industrial Control and Electronics Engineering, 2012:1566-1567.