刘硕，宋毅
（大连医科大学中山学院，辽宁大连，116085）
实验教学是提升学生应用能力的主渠道，是高校人才培养的重要环节，而实验室作为培养学生实践能力和创新意识的前沿阵地，是各项成果产出的基础。开放实验室可以提升设备的利用率，促进资源的进一步共享，可以让学生不受上课时间的限制，自主安排实验内容，主动学习，对于提升学生的独立思考能力、应用能力及创新能力都有很大的裨益。
但受困于实际的管理困难，实施实验室开放并不容易，以笔者工作的高校为例，共有实验室123 个，开放导致的各类管理问题层出不穷，主要体现在两个方面：一是设备管理难度大，不同实验室的设备类型各不相同，很多设备体积小且放置分散，易丢失；
二是管理人员不足，面对着人员登记、设备盘点、设备维护等各类工作，压力繁重。
如何解决上述管理问题，实现设备的监控与快速盘点，减轻实验室管理人员的工作量，是实验室开放工作亟待解决的问题，经调研，RFID 技术是较为成熟的自动识别技术，可进行非接触式的信息收集，完成对设备的精准管理，适用于门禁、资产及图书管理等各类高校应用场景[1]。本文对RFID 技术在实验室开放管理中的运用进行论述。
作为物联网的核心组成部分，RFID 有着广泛的应用。RFID 系统由标签、天线及阅读器等设备组成，能够以无线射频方式实现数据通信与自动识别，且RFID 的识别通信无需接触。RFID 阅读器及天线会产生无线电波，形成一定有效范围的电磁场，RFID 标签在辐射范围内时，会自电磁场中获取能量，将存储信息通过电波回传至阅读器，阅读器接收后，可将其转换为相关数据，与应用系统对接即可进行进一步处理[2]。作为极具潜力的信息技术产业，RFID 在制造业、零售、物流、军事、教育及医疗等多个领域发挥重要作用，应用场景广泛。2010年，物联网技术纳入我国国家发展战略，RFID 迎来发展机遇，在政策导向、市场需求等重大利好下，RFID 行业生态链日益完善，RFID 产业联盟提供数据显示，2022 年我国RFID 行业市场规模已达到1600 亿元以上。
随着新冠感染在全球爆发，RFID 以其非接触性识别的特点，在特殊时期广泛应用于各类场景，如山东海岸公安警察利用RFID 渔船识别系统智能监管，防范未登记的外籍渔船入港；
中铁二十五局广州地铁项目部利用图像识别系统结合RFID 人员定位芯片，实时获取施工人员轨迹，对人员聚集行为进行预警。疫情防控也促进了“无接触购物”模式的发展，如无人售货超市，通过在商品包装粘贴RFID 标签，实现商品在360 度空间内精确识别，结合自动收银台中设置的读写系统，即可完成费用结算。在超市出入口部署集成了读写器及天线的门禁系统，既有防盗效果，又可对商品库存及损耗进行把控。近年来，国家也推出冷链物流发展规划、物联网安全标准体系建设指南等多项与RFID 相关的政策，伴随通信技术的进一步发展，RFID 将继续保持强大的发展潜力。
根据实验室大小范围、设备数量及实际管理需求，对RFID系统架构进行了设计，共分为四个层级，分别是对象层、采集传输层、数据处理层及信息展现层，如图1 所示。
图1 系统方案架构
■2.1 对象层
对象层由实验室设备及RFID 标签构成，对原有EAN-13 编码的资产标签进行改造，用于标识设备信息，开展设备管理。RFID 标签可分为有源、半有源及无源三类，前二者有内置电池供电，识别距离长，使用寿命在5 年内且成本较高；
无源RFID 标签无电池，成本较低，无需定期维护，但识别距离较短，且对读写器功率有所要求[3]。鉴于常规实验室面积不会很大，决定选用无源RFID 标签，根据设备的不同张贴某品牌抗金属或纸质标签，基于ISO18000-6C 协议，工作频率为860～960MHz，使用寿命不低于10 年。由手持读写器完成标签发卡，限制于存储容量，仅写入设备编号及名称两个主要字段，纸质标签可预先打印设备条码及名称。
■2.2 采集传输层
采集传输层是硬件系统的核心，由手持读写器、通道读写器、天线及计算机网络构成。手持读写器具有高度的集成性与灵活性，支持标签发卡与读写，用于RFID 标签初始化与设备清查等工作。选择某品牌手持终端PDA，搭载Cortex-A53/1.4GHz 四核心处理器，Android 9.0 系统，集成5.7 寸LCD 显示屏，支持4G、WIFI 及蓝牙网络连接，读写距离最大达12 米。利用厂商的软件开发包开发了基于JAVA 的软件系统，设备清查时，可识别范围内的RFID 标签，获取数据，快速盘点，上传设备信息表至服务器端，生成清查结果，可极大减轻实验室管理人员负担。
在实验室出入口处安装通道读写器，即RFID 门禁设备，其可对可能带出实验室的设备进行非接触识别，并通过红色标记灯及蜂鸣器进行警示。在设备选型中，除高度、材质外，还应考虑触发敏感度及识别距离，部署设备尺寸为1.5×0.6 米，材质为铝合金外框及钢化玻璃主体，单门重量约40 千克，双向触发识别，支持RSSI 数值检测，读写距离0 至5 米，设有以太网接口一个，用于数据通信。天线用于发送接收无线电波，提升系统性能，也是系统不可缺少的一环，选择某品牌中型平板天线，圆极化，工作频率865-868/902-928MHz，每实验室部署两个，安装于棚顶。
■2.3 数据处理层
数据处理层由应用服务器及数据库服务器构成，部署联想ThinkServer SR590 服务器两台，搭建实验室管理信息系统，接受采集传输层采集到的信息，对信息数据进行处理，所有设备皆接入校园网，网络架构如图2 所示。软件设计将在下一节详细阐述。
图2 系统网络架构
■2.4 信息展现层
信息展现层主要由连接校园网的台式计算机构成，通过实验室管理系统，向管理者展示实验室设备现状及统计信息。此外，手持式终端设有一块5.7 英寸高分辨LCD 显示屏，搭载Android 9.0 移动操作系统，也可以进行简要的信息展现。
RFID 实验室管理系统主要包含服务器端及手持移动端两个部分，需分别进行开发，在满足工作需求的前提下，为确保系统的运行速度及操作便捷，尽可能对功能模块设计进行了简化，功能模块图如图3 所示。
图3 系统功能模块图
■3.1 服务器端
服务器端采用ASP.NET MVC 模式进行开发，其有效简化复杂的开发程序，稳定性较高，易于扩展。因系统数据量并不庞大，基于安全性及开发习惯考虑，选用SQL Server 2008 作为数据库工具。系统采用Visual Studio 2015 工具开发，此工具将C#、VВ 等各类语言进行整合，开发环境开放且十分稳定，并支持跨平台的移动开发。
系统开发过程如下，创建名为 “RFID Device”的MVC 项目，通过需求分析，基于MVC 模式构建管理系统的Model 模型、View 界面视图及Controller 控制类；
接下来对模型进行开发，设定系统的各项控制接口，对控制类进行开发，利用控制类完成不同指令下视图的显示控制；
最后进行视图开发，控制数据通过视图传输至模型，并由模型与数据库通信完成数据处理。
SQL Server 2008 具有较好的安全性与稳定性，系统数据量并不庞大，在数据库设计前进行了详尽的调研论证，合理规划了数据表字段，进行概念模型与逻辑结构设计，设定各表主键，构建表间联系，共建立12 张数据表。
服务器端共包含系统管理及设备管理两大功能模块，每个模块细分若干子模块，具体如下：
(1)系统管理
本模块用于对系统进行整体的设置，包含用户管理、权限设置、机构管理及数据管理四个子模块。共设定校级、学院及实验室三级管理员，不同级别管理员在权限设置子模块配置不同权限，机构管理用于设定二级单位及实验室，数据管理模块用于数据表的备份及还原。
(2)设备管理
本模块用于实验室具体设备的管理，包含设备入库、设备查询、设备调配、设备报废及设备清查。设备表的字段与校级资产管理平台基本一致，包含编号、名称、分类号、型号规格、单价、厂家、购置日期、存放地及状态等信息。设备清查模块是系统开发的核心功能，可查询到清查人员使用手持移动终端进行盘点后的结果，以及每个设备的当前状态。
■3.2 手持移动端
手持移动端系统采用厂商提供的软件开发包，包括类库、示例应用程序及若干说明文档，在SDK 辅助下，利用JAVA 语言开发应用程序，以编程方式控制RFID 手持读写器工作。
开发的关键主要有两项，首先是实现RFID 手持端对服务器数据库的远程访问，这里利用了厂商提供的依赖库及JAVA 语言的JВDC 程序接口，导入依赖库后调用Class.forName()，将驱动管理类进行初始化，进而通过驱动管理类的GetConnection()构建访问远程数据库的程序接口，实现数据交互；
其次是实现系统对RFID 手持端扫描功能的控制，这里同样基于厂商的依赖库进行开发，调用读写器类实现与设备连接，利用RFID.Init()及RFID.OpenAndConnect()完成扫描芯片的连接运行，继续开启识别Tag 循环，将读取的数据存至缓存区，依次进行处理，这里返回的数据可以是多个RFID 标签的一次性读取结果。手持移动端系统功能模块如下：
(1)设备标签写入
因硬件设备未配备桌面发卡器，故由手持移动端本模块完成RFID 资产标签写入功能，将设备编号、名称、存放地等核心信息写入至打印条形码后的无源RFID 标签，并进行张贴。
(2)清查盘点
此为系统重要的核心功能，用于进行实验室设备的快速盘点，手持移动终端处于实验室中心位置处，启动设备清查，终端的RFID 探头将自动对范围内的RFID 标签进行扫描，获取信息。扫描结束后，将生成设备信息表，存储在终端RAM 内。手持移动端通过无线局域网与服务器端进行数据通信，将设备信息表上传至服务器，进行信息比对，如一致则返回设备正常信息，如不一致则显示未在线设备名称，并生成清查结果文档。手持移动端同时具备定位功能，可对操作位置进行定位采集，辅助工作开展。
(3)设备查询
本模块用于读取RFID 标签，对单个设备的信息进行查询，确认标签信息与设备是否相符。实验室皆实现无线局域网覆盖，也可以通过查询设备资产编号，自服务器端获取设备信息，进行比对。本模块同样可以以实验室为单位进行设备情况的统计查询。
本文完成了RFID 实验室管理系统的设计与开发，采用两个实验室作为试点，每实验室部署手持PDA 终端1 个、通道读写器1 个、天线2 个、无源标签约120 个，设备选型如图4 所示，总成本较低。通过了RFID 设备功能测试及信号覆盖测试，目前已投入使用，实现了信息化管理，实时日志记录，统计便捷，助力实验室形成高效准确的设备管理模式，杜绝了设备丢失现象，减轻了管理人员负担，提升了工作效率。
图4 设备选型
系统目前仍存有不足，首先是现有资产及设备暂无法实现人员登记功能，后续将考虑将RFID与校园一卡通结合，改造现有卡片为ISO18000-6C 协议的IC 卡，利用通道读写器进行识别[4]；
其次是RFID 实验室管理系统与校级资产管理系统暂未对接，存在数据孤岛，后续将研究论证。除技术支撑外，还应进一步规范实验室管理机制，从机构建设、队伍建设、规章制度建设等方面改革创新管理[5]，打破壁垒，全面推动实验室开放。