基于RFID和LabVIEW的实验室管理系统设计与应用

打开文本图片集

摘要：随着无线射频识别技术的不断发展，本文针对高校实验室的设备和教学管理的特点，利用LabVIEW软件设计一套基于RFID技术集实验室资源、实验室设备、实验预约、虚拟实验教学于一体的综合性实验室管理系统。系统使用射频识别技术实现对实验室物、人、事的管理，实现了对固定资产、教学管理、学生管理等功能一体化的管理，充分挖掘实验室资源的利用潜力，提高实验室管理的效率，提高实验室资源共享的程度，具有广泛的应用价值。

关键词：实验室管理系统 RFID LabVIEW

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0166-02

当前高校越来越重视实验室的建设，采购的设备越来越先进，价格也越来越高，目前我国高校在实验室建设投入上不惜重本，在设备采购进来的同时，对使用者和管理者来说，如何充分挖掘设备的最大使用效益成为众多高校的难题。减轻管理人员工作量，将靠手工登记的操作方式改成系统自动记录，提高管理效率是开发实验室管理系统的主要目的[1]。可靠的实验室管理系统具备分析处理数据的能力和科学分配各类资源功能，它能提高实验室的开放程度，为实验教学质量的提高提供有力支持。

RFID技术是一种非接触式的无线识别技术[2]。RFID技术不断发展成熟，被广泛应用于物流管理、门禁系统管理、图书管理、电子钱包等用途[3，4]。

1 实验室管理的特点

当前实验室的设备管理需要向信息化、网络化发展，当前很多实验室依然使用传统的方法管理实验设备，例如账本登记、卡片管理等。设备的使用与管理无法做到实时登记，后期录入的工作量大，且数据不准确，工作效率低[5]。实验教学管理办法是学生课前到中心购买实验报告，然后做好预习，完成实验的各项工作后，提交到实验指导老师处，由指导老师根据实验报告情况给出成绩。

根据当前实验室管理的特点及功能需求，本文提出如图1所示的系统设计框图。

2 系统软硬件选择

射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification）是可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的一种识别技术。采用电子标签开发系统平台实现对实验室设备、学生、教师的信息化管理。RFID阅读器是读取电子标签的关键设备，选用原则是根据实验室的使用环境，选择通讯稳定、读取效率高的RS232接口的通用RFID读卡器[6]，本文设计的实验室管理系统需要不断地更新完善，因此选择通用的阅读器，可保证开发系统的兼容性。

校园一卡通是当前很多高校都已经在使用的一种电子凭证，它可作为借书证、电子钱包、学生证，其运用非常广泛，也可作为学生电子身份鉴别的一种载体，通过可以有效地读取学生的IC卡信息，经双向密钥核实后进行读写操作，从而使整个系统具有极高的安全性[7]。

实验室的管理涉及到固定资产的使用、工具的管理和学生考勤的管理及教学的管理。RFID技术可以将实验设备和学生的数据信息存储在电子标签上，并依靠数据库和系统平台，可以有效地对实验设备和教学的管理。

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是基于图形化编程语言G的开发环境，由于LabVIEW使用图形化编辑语言，程序模块化，简单易懂，开发速度快，扩展性强，深受广大程序开发人员的喜爱，因此选择它作为系统的开发语言。

3 系统功能开发

针对当前实验室管理的特点和需求，本文在开发实验室管理系统时，先制定实验室管理系统的功能，预留开发接口，以便后续的功能拓展需要。按功能分为四大块，如图2所示，分别为系统管理、设备管理、资源管理、教学管理。

系统用户分为三级管理员、老师、学生。三者身份不同，其登录系统后权限也不同，搭建系统的功能首先考虑各用户的使用需要。根据不同学科实验室开放的特点，有针对性地设计相应的模块。

通用模块是指系统中不同功能都会调用的程序模块，它是通用的也是公共的，在需要时由程序进行调用。读取卡号在是在系统中进行数据调用和存储时需要用的到模块，它用来识别学生的身份、设备的名称等物理信息。在这个模块中，使用LabVIEW的虚拟仪器体系结构库[8]ViSA（Virtual Instrumentation Software Architecture）库，它是标准的I/O函数库总称，它是调用低层驱动器的高层应用程序接口API[9]，由它与硬件RFID阅读器接口连接，可以读取到RFID卡的信息，它的程序模块如图3所示。

MySQL是一个关系型数据库管理系统 （Relational Database Management System，RDBMS），MySQL是最受欢迎的RDBMS应用软件之一[9]。LabVIEW的读写数据库模块以调用数据库操作工具包的方式实现对数据库的操作，实现对MySQL数据库的读写功能。系统采用LabVIEW中的ODBC（Open Database Connectivity）数据源，由它向数据库操作提供API接口，使用MySQL作为数据库，可以较为方便地与LabVIEW进行连接。

高校的实验室管理根据学科的不同，其管理的特点也不尽相同，以机械工程专业为例，机械工程实验的类型是以小组上课为主，分散地进行实验，实验设备多，相同设备的台套数少，在教学、资源利用、资产管理等都有与其他实验室不同的管理办法。基于此特点，本系统设计出以下功能模块：用户管理、工具管理、固定资产管理、门禁管理、设备使用登记管理、学生考勤管理、课程教学管理七大功能模块。

实验室中涉及的人员主要有老师和学生，根据师生的特点。将用户分为三级权限：管理员、教师、用户。用户数据库的设计需要的信息包括姓名、学号、校园一卡通卡号等信息。用户管理模块可以对用户的信息、RFID信息、用户的增减进行管理。学生的校园一卡通录入到管理系统后，可快速查询用户的信息。

由于实验室的设备种类多，数量广，分布广，实验设备的维护和管理工作量大，设备的使用情况、维修情况以记录本的方法登记耗时，数据不准确，不具备科学的参考价值。本系统将实验室所用的资源都赋予RFID卡，每个设备都可以在系统中进行查询、登记，使用过程中，学生可以直接刷校园一卡通进行登记使用情况，管理者可实时了解实验设备的使用情况，及时对设备进行维修和保养，掌握实验设备的生命周期。

设备使用管理模块就是用于登记学生或者老师使用设备的情况，只需要在系统里刷一卡通，系统会记录开始的使用时间和结束的使用时间。并记录使用人的姓名和卡号，自动计算使用时长，登记后的数据会写入数据库。设备使用登记是从登录系统开始的时间开始计时，实验结束时，系统记录两个时间差就是设备使用时间，记录使用者的信息，并保存数据库，设备的使用学时数一目了然，当使用达到一定的期限，需要进行报废处理，此时，系统可以查询实验设备的具体使用时间，给报废申请提供数据参考

学生的考勤情况是反映学校学风的一个重要指标，也是学生学习态度的一个体现，一个良好的教学单位，学生准时上课，上课认真学习，课程秩序井然有序，因此，采用技术手段对学生进行考勤是管理学生的一种有效途径，上课使用RFID卡记录考勤情况具有速度快、数据准确的特点。

实验室很多需要实行开放式地管理，设计的管理系统对进入实验室的人员进行严格限制，只有通过授权且在数据库中记录的人员才能在规定的时间段进入实验室。由系统管理门禁的管理办法，可降低由于学生未经培训、未经授权而进入实验室带来的安全风险，提高实验室的开放程序。

工科的实验课大多是以小组的形式上课，由于高校实验室的使用非常紧张，既要保证正常的实验教学，又要满足科研、创新等教研活动的使用。如果要高效地利用实验室，需要一个优秀的管理系统来调度。本系统将实验课程的安排、预约、管理都纳入系统里，在系统上完成实验室的使用调配，增减相应的教学管理活动，实现管理的信息化，无纸化。

4 系统应用和特点

本文开发的实验室管理系统既可在台式机的windows平台上运行，也可在Mac OS系统上运行，管理系统的适应性强，对操作系统的要求低。

数据库既可存入学校的服务器系统，也可存放在计算机上，系统与数据库设置连接上，测试通讯成功后，即可投入使用，非常方便。

开发与维护方便：由于系统采用模块化和图形化的语言，非常方便后续的开发与维护，其语言简单易懂。

扩展性强：LabVIEW作为虚拟仪器开发平台，它可与其他系统快速整合，扩展性强。

开发成本低：相对于商业的实验室管理系统，本系统的开发成本低。

稳定性良好：由于采用C/S系统结构，对网络和服务器的要求比较低，运行起来比较稳定，为学校的实验室管理提供了强有力的支持。

5 结语

使用LabVIEW和RFID技术开发的实验教学管理系统是集中设备管理、教学管理、人员管理三位一体的管理模式，有效地提高了实验室的管理效率，提高信息共享程度，降低实验室人员的工作强度。系统具备良好的扩展性，面对实验室管理的日新月异，各功能模块开发周期短，针对不同学科的实验室其管理办法不同，本实验室管理系统具有很好的参考价值。

参考文献

[1]张建功.高校实验室管理模式选择与创新发展[J].华南理工大学学报，2005，7（5）：79-81.

[2]李凌峰.实验室管理系统中RFID技术的应用与研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[3]Lee H， Ozer O. Unlocking the Value of RFID[J]. Production and Operations Management，2009， 16（1）：40-64.

[4]杨海英.物联网技术在高校实验室管理中的研究[D].上海：复旦大学，2011.

[5]陈伟.基于校园网的实验室管理系统的研究与设计[D].广州：广东工业大学，2007.

[6]Liu Sh， Wang X， Shen J， et al. A novel low-noise high-linearity CMOS transmitter for mobile UHF RFID reader[J]. Science China Information Sciences，2014，57（8）：1-8.

[7]Anonymous.RNCOS E-Services Pvt. Ltd.：Smart Card Apps Make Financial & Retail Transactions Safer[J].M2 Presswire， 2009， 5（3），102-130.

[8]潘德祥.VISA在LabVIEW中的灵活应用[J].仪器仪表标准化与计量，2007，23（6）：43-45.

[9]李景广，王哨军，董坤，等.LabVIEW与其他应用程序的接口设计[A].电第十七届全国测控计量仪器仪表学术年会（MCMI"2007）论文集（下册）[C].北京：电子测量与仪器学报杂志社，2007：4-7.

[10]Manjunath G，Narasimha M，Sitaram D.Combining heterogeneous classifiers for relational databases[J].Pattern Recognition， 2013，46（1）：317-324.

相关热词搜索： 管理系统 实验室 设计 RFID LabVIEW