基于物联网技术的高校实验室资产管理系统设计

冀全朋，黄 羿

高校实验室是高等学校进行实践教学和科学研究的重要场所，同时也是培养大学生动手能力、提高技能运用和创新能力的重要基地.一所高校实验室规模的大小、软硬件配置参数的高低反映了这所高校的层次和科研水平［1］.实验室资产管理的主要内容是资产设备的运营，高校实验室资产的主要特点是价高、量多和使用频率大等，加之其他因素导致实验设备的存放地点分散，在管理上有一定难度.另外，近年来高校不断扩招，国家在高校实验室的建设上投入了大量资金，各种实验仪器设备成倍增长，也给实验室资产的管理带来了困难.

文献［2］对RFID技术在实验室资产管理系统中的应用进行探讨，对实验室资产中使用RFID技术的前景进行分析和展望，商榷在实验室资产管理中遇到的一些关键问题和解决办法等.文献［3］以自行研制开发的嵌入式教学实践系统为硬件上的基础，设计了基于物联网技术的实验室设备管理系统.此系统在技术上仅仅利用了嵌入式，面向物联网技术，而没有把物联网的关键技术运用到系统中.由此可见，如何在资产管理系统中合理引入物联网技术是关键问题.利用物联网技术实现的资产管理系统，不但数据安全、使用方便、管理简单，而且有一定的实用性和前瞻性.

1 物联网技术概述

1.1 物联网概念

1.2 物联网的关键技术

1.2.1 RFID技术

射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)兴起于20世纪90年代，是一种自动识别技术.它通过交变磁场和电磁场的空间耦合，运用射频信号传输来实现对物体信息的采集.主要特点是:(1)采用无线方式双向通信;(2)可以远程读取和大批量读取;(3)当物体在调整运动状态时可以准确识别;(4)防磁、防水和耐高温，使用寿命长;(5)能够大量存储数据并对数据进行更改等［7］.

射频识别(RFID)主要的工作方式是无线射频，如图1所示.电子标签和读写器的双向数据通过天线进行传输.读写器和电子标签的工作过程是:读写器采集到数据后，通过天线发送一定频率的射频信号，读写器收到信号后进行调制和解码，传送到系统处理器中进行数据的逻辑运算和处理，并检验该电子标签的合法性［8］.

图1 RFID系统结构

1.2.2 传感器技术

在信息学上，传感器是检测和转换技术的总称，它是提取信息后对信息进行处理、转换、传输到应用的一个过程.此技术也是计算机应用中的一项关键技术.到目前为止，绝大部分计算机的处理都是数字信号，这种技术通过借助一种传感器，以物质现象的温度、湿度、速度和压力的信息通过网络进行集成和探测技术.传感器主要由敏感元件和转换元件两个基本单元组成，传感器的组成如图2所示.

图2 传感器的组成

1.2.3 ZigBee技术

ZigBee技术是一种双向无线通讯技术，也称为近距离无线组网技术.它的主要特点是低能耗、低复杂度、低成本.主要用于距离短、功耗低且传输速率低的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时 间 数 据 传 输 的 应 用［9］.ZigBee 采 用IEEE802.15.4标准，它定义了网络安全层和应用层.该技术经过多年的发展，相关技术体系已经成熟.ZigBee的无线设备工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三个频段上.其最大数据速率是250 kbit/s.ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求.在一些 ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式(也称休眠模式)的.ZigBee技术的工作原理如图3所示.

2.跨境人民币结算量占比分析。跨境贸易人民币结算试点之初，广西凭借毗邻越南的地理优势，形成一个良好开端，2010年7月广西与东盟国家跨境贸易中人民币结算占比已实现30%左右，之后稳步上升，占比维持在高位，2016年占比实现106.89%。

图3 ZigBee技术工作原理

2 系统的设计

2.1 总体架构

本系统由无线射频识别技术(RFID技术)和读写器两大部分组成.用RFID标签对实验室资产进行标识，读写器通过ZigBee技术接收RFID标签发出的数据信息，再通过网络将数据信息上传到软件平台的数据中心(实验室资产管理系统).完成实验室资产的日常管理和清理，实现对资产使用情况和生命周期的有效跟踪.其中，RFID标签发出的信息，包括资产设备的生产厂家、价格、型号、购买日期等数据.一个读写器可以接收若干个标签数据，两者形成无线网格(即MESH)网络，其系统的结构图如图4所示.

图4 系统结构图

本系统主要的第一层是感知层，运用RFID技术标识资产，采集资产的基本信息，如名称、规格、型号等;第二层为传输层，由ZigBee网络传输设备组成;媒介为有线或无线局域网，无线局域网采用ZigBee技术的无线通信原理，实现信息安全、可靠的传输;第三层是应用层，由管理系统软件及数据库组成，采集到的重要数据存放在数据库服务器中，资产管理系统可以对数据库中的数据进行删除、更改或增加，保证了数据的实时性和安全性.

2.2 软件架构

本系统的软件架构基于OSGI技术开发.OSGI(Open Service Gateway Initiative)技术是面向Java的动态模型系统，向Java提供服务的是OSGI平台，促使Java成为软件集成和开发首选环境的平台是OSGI技术.OSGI技术提供允许应用程序使用精炼和可协作的组件构建的标准化原语，使这些组件能组装进一个应用和部署中［10］.图5为系统的软件架构图.

图5 系统软件架构图

整个软件系统可分为4个模块:数据接收与发送模块、数据解码转换模块、数据存储和处理模块、应用层模块.各模块间可以通过其他设置形成数据的关联.

数据接收与发送模块主要负责接收读写器采集到的数据，通过设备上传，或给读写器发送其他命令.

数据转换模块的主要功能是把接收到的数据进行解析.解析的过程要遵循数据包的协议，从而得到具体的资产信息;对下发的数据信息进行解码，符合下行的数据要求后才可进行下一步的数据下发.

数据处理和存储模块的主要功能是先把接收到的数据进行存储;然后进行处理、纠正错误或修改冗余的数据等.

应用层模块的功能主要有资产的添加/报废、资产实时查询、资产异常报警、标签生成/修改等.

2.3 硬件架构

本系统采用RFID模式对实验室资产进行编码，高效而快捷地实现实验室资产数据的采集和编码，建立起基于物联网技术的应用模式感知层.对于比较贵重的实验设备可以使用RFID有源标签，比如物联网工具箱中的贵重设备、移动笔记本或高价网络测线仪等.对于一些价格偏低的实验设备可以使用低价格无源标签，可用移动手持型阅读器进行读写.RFID阅读器通过有线局域网或无线WIFI连接，一次可以将多个设备的RFID标签信息完成读取，不需要更复杂的人工干预.RFID的硬件设计模式如图6所示.

图6 RFID硬件设计

2.3.1 RFID标签

标签(Tag):由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，俗称电子标签或智能标签.

RFID电子标签主要包含有源标签、无源标签、半有源和半无源标签.RFID标签包括天线和芯片，用户数据区存储着资产信息的相关数据，阅读器负责写入后，天线用于阅读器和标签之间传递无线射频信号.

2.3.2 读写器

读写器即射频标签读写设备，是射频识别系统的两个重要组成部分(标签与读写器)之一.射频标签读写设备根据具体实现功能也有一些其他较为流行的别称，如:阅读器(Reader)、查询器(Interrogator)、通信器(Communicator)等.当需要读取资产信息时，读写器通过射频模块向标签发射需要读取的信号，

2.3.3 网络设备

网络是RFID资产信息终端与资产管理系统数据中心平台相互通信的桥梁.主要运用到有线局域网和无线WIFI两种传输模式，在已有的局域网模式和无线WIFI模式下，即可实现RFID资产信息与数据中心平台的有效通信，扩展为真正意义上的物联网.其整体系统硬件结构图如图7所示.

图7 系统硬件结构图

3 系统优势分析

现目前使用较多的资产管理系统技术路线上主要有条码技术、磁卡技术和RFID技术等，而条码和磁卡的应用最为广泛.其中，条码与磁卡的弊端是容易磨损，怕水、怕油污、怕高温等，使用寿命短;而RFID技术完全解决这方面的难题，使用方便，节省人力，可重复存储，安全性高等.

在软件架构上采用OSGI技术.此技术的优势在于提供允许应用程序使用精炼和可协作的组件构建的标准化原语，使这些组件能组装进一个应用和部署中，保证了数据的安全性，数据传输速度快而且安全可靠.

对系统的效果测试时，RFID对实验室资产进行扫描，若天线的扫描宽度为10 cm，读取设备的标签数为40个，测试的准确率为96.5﹪.测试过程中发现，在天线设定的扫描范围内进行扫描时，若标签与RFID的侧面快速通过，有极少量出现漏扫的可能.

4 结语

本文将物联网技术运用到高校实验室资产的管理中，可实现对实验室资产各个环节的管理.文章首先对物联网的关键技术进行了分析，提出了基于物联技术的高校实验室管理系统实现的可行性，对系统的软件和硬件给出了明确的设计方案，软件设计上采用OSGI技术面向Java的动态模型系统，硬件主要采用RFID技术和局域网技术，通过系统应用实例阐明了该系统的优势和可行性.在实际应用中，电子标签的成本、电子标签与物联网的相关标准和规范、通信协议和安全性等是该系统能够推广应用的关键因素.

［1］王自力.基于物联网技术的实验室设备管理系统设计［J］.延安职业技术学院学报，2012(6)：97-110.

［2］李松涛，金锐.RFID在实验室资产管理中的应用探讨［J］.实验室研究与探索，2011(3)：182-184.

［3］陆蔺，程磊.基于物联网技术的实验室设备管理系统设计［J］.苏州大学学报：工科版，2012(6)：72-75.

［4］刘楷华，李雄.物联网应用现状及发展机遇［J］.电脑知识与技术，2011(5)：1007-1022.

［5］李坡，吴彤，匡兴华.物联网技术及其应用［J］.国防科技，2011(1)：18-22.

［6］梅刚.联勤部机关车辆智能管理系统［D］.成都：电子科技大学，2009：1-5.

［7］Finkenze Veer K.射频识别(RFID)技术［M］.陈大才，译.北京：电子工业出版社，2001.

［8］王月浩，刘杰，余洲，等.RFID在实验室门禁考勤上的应用［J］.重庆文理学院学报，2013(5)：132-134.

［9］柴淑娟，赵建平.基于ZigBee技术的无线数据传输系统［J］.通信技术，2010(8)：30-34.

［10］葛新，董朝阳，梁小江.基于OSGI面向服务的软件体系架构［J］.计算机技术与发展，2012(10)：121-124.