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。

关键词： 物联网；RFID；电子标签；Spring框架

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　参考文献

　　[1] 海涛.基于物联网的高校实验室信息化管理技术[J].实验室研究与探索，2012（9）：166-169.

　　[2] 徐慧剑.基于物联网RFID技术的智能仓储系统的设计与实现[J].制造业自动化，2010（4）：139-141.

　　[3] 王瑾.基于物联网的实验室管理技术[J].电脑知识与技术，2010（7）：5741-5742.

　　[4] 沙波.RFID与物联网技术[J].电脑知识与技术，2011（3）：1938-1939.

　　[5] 柳维长.RFID与物联网[J].信息与电脑，2010（10）：32-34.

　　[6] 宁焕生，张彦．RFID与物联网：射频、中间件、解析与服务[M].北京：电子工业出版社，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.