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智能化实验室管理系统的研究与设计

作者:李培国,叶 嫣
来源:RFID世界网
日期:2016-01-22 15:07:03
摘要:结合物联网以及Spring框架技术,设计了基于RFID系统和Spring框架的智能化实验室管理系统,以满足目前实验室管理工作的要求。着重阐明RFID系统的搭建以及管理系统的各个功能模块。

  随着我国高等教育事业的快速发展,实验室建设和管理作为高校教学和科研的重要组成部分,也受到越来越多的重视。实验室管理工作涵盖了实验设备管理、实验人员管理、实验室开放管理、实验课程管理以及各种数据统计等工作内容。在传统的实验管理模式中,上述的工作基本都是各自独立完成,并且大部分还采用手工进行设备建账、数据核对和统计等工作。实验室的设备数量很大,并且种类繁多,手工建账管理效率很低,出错率高;设备的各种借调,手工进行登记很难完整、及时地跟踪设备的借用人和所在地;同时,实验室人员繁杂,无法进行完整的实验人员跟踪记录和授权管理;实验课程数量逐年增加,并且实验内容经常变更,给管理和统计等工作带来了更大的挑战。

  在一些高校中,已经在一些实验室中采用了统一的实验室管理系统,具备上述几个模块的实验室管理功能。管理系统的采用,提高了相应工作的效率,减少了部分手工工作。但是,目前这些系统对于设备的建账、盘点、巡检,基本上还是采用手工的方式,无法实现自动化管理;另外,这些系统中较少将实验课程的管理功能也纳入其中,对于相应的排课和统计等工作,仍需要独立进行。

  针对上述提到的一些问题和不足,本文采用物联网技术实现设备的自动化管理;同时,设计B/S架构,采用Spring框架开发完整的管理系统,包括实验设备管理、实验人员管理、实验室开放管理、实验课程管理和统计报表等功能模块。

  1 物联网

  1.1 物联网技术

  物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其本质含义就是物体与物体相连的网络。是指通过射频识别(RFID)等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-2]。主要包括两层含义:(1)物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;(2)其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信[3-4]。

  1.2 RFID技术

  RFID技术作为催生与促进物联网发展的动力[5],得到了飞快的发展。RFID是一种非接触式的自动识别技术,它利用射频信号通过电磁耦合来自动识别管理对象并获取相关数据。

  RFID根据标签工作方式,主要分为两类[6]。

  (1)主动式标签:用自身的射频能量主动地发射数据给读写器的标签。主动式标签含有电源;

  (2)被动式标签:由读写器发出的信号触发后进入通信状态的标签称为被动式标签。被动式标签的通信能量从读写器发射的电磁波中获得,它既有不含电源的标签,也有含有电源的标签。含有电源的标签,电源只为芯片运转提供能量,这种标签也称为半主动标签。

  RFID系统一般由3部分组成,如图1所示。

智能化实验室管理系统的研究与设计

  电子标签由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的RFID编码,附着在物体上标识目标对象,一般情况下,标签已经包含了标签天线。

  读写器是读取(或写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式。

  天线用来在标签和读写器间传递射频信号。

  RFID系统有以下3大特点:(1)可以标识每个物体,而不像条形码是用来识别一类物体;(2)可以非接触远距离同时对多个物体进行识读,而条形码只能在非常近的距离一个一个地识读;(3)储存的信息量非常大。鉴于上述的优点,采用RFID系统作为实验设备的建账、盘点和巡检工具,可以实现实验设备的自动化管理。

  2 实验室设备自动化管理

  通过前面的分析,可以使用RFID技术,来实现实验设备的自动化管理。下面结合实验设备管理的几个方面,逐一进行说明。

  2.1 设备建账

  实验设备完成采购后,为其贴上RFID电子标签,并通过RFID读写器,将设备建账所需的信息,写入到电子标签中;并通过管理系统,将设备信息写入到数据库中,完成设备建账操作。完成此建账操作后,为后续的设备自动化管理,提供了相应的必要条件。

  通过使用电子标签,可以保存更为完善的设备相关信息,包括型号、规格、单价、出厂日期、出场编号、使用单位、存放地点和维修纪录等多种信息;同时,还可以存储复杂设备的一些帮助信息等。完善的信息为设备的管理和使用提供了更多的便利。

  2.2 设备盘点

  实验设备具有电子标签后,通过RFID读写器,连接相应的管理系统后,就可以实现设备盘点的自动化操作。无需像条形码一样,逐一近距离地扫描,通过手持RFID读写器,在有效的辐射距离内,就可以完成实验室中的设备标签扫描;通过RFID读写器与管理系统的连接,将扫描信息进行处理,就可以完成实验设备的盘点工作,实现自动化盘点。

  自动化盘点,可以减少管理人员工作量,并提高盘点数据的准确率。

  2.3 设备借调

  在实验室的出入门,安装固定式的RFID读写器。设备进行借调时,当设备经过RFID读写器时,电子标签自动被扫描;通过管理系统,将设备的借出信息记录到数据库中;并且,可以通过RFID读写器,将设备的借出信息,记录到设备的电子标签中。

  通过这样的借调管理,在进行设备盘点时,可以通过管理系统中的相关记录,清晰、准确的跟踪到借调设备的具体信息。

  2.4 设备巡检

  通过电子标签,可以将设备的巡检记录信息,存储在电子标签中;在每次巡检时,就可以明确该设备的具体运行状态,以及最近的巡检情况等信息;大大提高了巡检的工作效率,也为实验设备的责任事故等,提供了比较可靠的依据。

  综上所述,采用RFID系统,结合实验室管理系统,基本可以实现实验设备的自动化管理;在减少管理人员工作量的同时,提高管理工作的效率和准确率。

  3 智能化实验室管理系统设计

  本文所说的智能化管理系统,主要是指借助于物联网技术,结合软件程序,实现实验室管理工作的自动化和智能化。系统硬件部分设计采用RFID系统作为实验设备的标识、跟踪以及门禁系统;实验室开放管理,设计安装监控系统,并且与管理系统相连接;软件部分采用主流的B/S系统架构,利用当前主流的Spring框架来搭建整个管理系统。系统主要包括以下几大模块,如图2所示。

智能化实验室管理系统的研究与设计

  3.1 实验设备管理子系统

  实验设备管理子系统,主要功能包括两方面。

  (1)实验设备信息维护:设备建账、设备借调、设备盘点、设备巡检以及设备维护、设备更新、报废等功能;

  (2)实验设备统计:设备查询、设备统计和生成报表等功能。

  此模块的硬件部分设计采用如前所述的RFID系统,实现设备管理的自动化;RFID系统通过相应的接口实验管理系统连接,实现管理系统的相应功能。模块架构示意图如图3所示。

智能化实验室管理系统的研究与设计

  该模块的技术关键是RFID系统的选择,以及RFID系统与管理系统之间的连接方式问题。在RFID系统的选择上,主要需要考虑识别距离、识别准确性、安全性,以及读写器的易用性和丰富的接口标准。根据这几个方面的要求,可以考虑使用比较先进的UHF(超高频)RFID系统[7],此系统具有识别距离远、识读率高、读写速度块、防冲突能力强、可扩展性好等特点,读卡距离达 3 m~10 m,比较适合高校实验室环境使用。RFID系统与管理系统的接口方式,目前有比较多的选择,包括无线方式、有线方式等,而且都有比较成熟的解决方案。

  3.2 实验教学管理子系统

  实验教学管理子系统模块主要完成与实验教学相关的功能,包括:实验课程管理、实验课程排课、实验设备预约、实验成绩管理以及实验数据统计等。此模块是标准的信息管理系统,大部分功能通过软件系统即可实现。需要说明的一点,是实验设备预约功能,此功能必须与设备管理子系统进行对接,查询相关的实验设备,并更新相应的实用状态,从而实现设备的预定管理。

  3.3 实验人员管理子系统

  此处提到的实验人员管理,主要是针对开放式实验室管理所提出的。在开放的使用环境中,实验室使用人员比较繁杂,传统的登记方式很难进行管理。本文设计采用RFID系统,结合人员管理模块,完成自动化的人员管理。主要功能包括人员登记注册、人员信息维护和权限管理等。

  硬件方面,需要在实验室的出入门安装固定式的RFID读写器,作为出入门禁;为需要出入实验室的人员,派发贴有电子标签的门卡,并将相关的人员信息,写入相应的电子标签中;RFID读写器与人员管理子系统进行连接,完成电子标签信息的读取和写入等操作。

  此模块的门禁系统工作流程示意图如图4所示。

智能化实验室管理系统的研究与设计

  其他几个模块的功能与现有的一些实验室管理系统基本类似,在此不做特别说明。

  针对传统和现有的实验室管理系统存在的问题和不足,本文利用RFID系统的自动化设备管理以及Spring架构的灵活应用等特点,设计了基于RFID系统以及Spring框架的硬件和软件系统的完整的实验室管理系统,实现实验室完整的、自动化式的管理。此系统能够完成大部分的实验室管理工作,并能够大大降低实验人员的手动工作量,提高工作效率;同时,能够提高各种管理和统计数据的准确和可靠性。目前该系统还处于设计阶段,一些实现过程中的技术细节,还需要在后续的研究中逐一明确和完善。