物聯網RFID技術在數字校園管理中的應用

王春紅

(內蒙古財經大學計算機系，內蒙古 呼和浩特 010051)

“物聯網”的名稱來源于“傳感網”，在過去數十年中射頻、“二維碼”等技術被廣泛應用于軍事及物流領域。然而，物聯網進一步拓寬了“傳感網”的范疇，其是用各種傳感器將物理世界通過互聯網相連接形成網絡。

針對國內物聯網產業基礎和關鍵環節相對薄弱，標準化工作相對滯后等問題，國家組織啟動2012年物聯網技術研發及產業化專項。啟動國家物聯網應用示范工程，統籌推進物聯網關鍵技術研發及產業化、標準體系和公共服務平臺建設，著力突破核心技術，完善產業鏈，為重點領域物聯網應用示范提供有效支撐。物聯網產業鏈可分為:識別、感知、信息處理和傳送4個環節，每個環節的關鍵技術分別為RFID、傳感器、智能芯片及電信運營商的無線傳輸網絡。

1 物聯網技術相關研究

文中通過CNKI進行文獻檢索，關于物聯網有11931篇，其中2009年之前 81篇、2009年 518篇、2010年3951篇、2011年5574篇、2012年至今1807篇。其中期刊7201篇，博士學位論文74篇，碩士學位論文695篇，會議299篇，報紙2755篇，專利715篇，其他192篇。主要集中在信息經濟與郵政經濟、計算機軟件及計算機應用、電信技術、工業經濟、自動化技術、宏觀經濟管理與可持續發展、電力工業以及貿易經濟等8大類。

通過2次檢索，同物聯網與校園有關共89篇:期刊文章73篇，學位論文15篇，會議論文1篇。其中，2010年18篇、2011年43篇、2012年至今28篇。其中與數字校園相關的12篇，與智慧校園相關的17篇。

可見，物聯網在其他領域的應用廣泛，相關領域的研究較為深入，已趨向成熟，并產生了產業鏈。目前，國內部分高校已開設物聯網專業，并進行智能傳感網絡的研究。據統計，2011年國內高校新增物聯網工程專業的院校共64所，其中物聯網工程專業56所，“傳感網”技術6所，智能電網信息工程專業2所。為物聯網技術進一步發展奠定了基礎，但物聯網技術在數字校園建設中還未得到廣泛應用，同時研究不夠深入，基本處于設想或探索研究層面，而涉及物聯網技術在數字化校園中應用的具體案例文章較少。文中對物聯網RFID技術進行了研究，同時對數字校園中“一卡通”的應用管理進行了設計。

2 需求分析

隨著信息技術的發展，高等院校根據自身需求，相繼采用信息技術以加強管理。校園“一卡通”已成為高等院校發展的普通選擇。校園“一卡通”、數字化校園和網絡信息技術應用的相關產業正在迅速發展。“一卡通”的實現目標是為了通過共同的身份認證機制，實現數據管理的集成與共享，其主要實現的管理功能是:后勤綜合管理系統、考勤管理系統、上機管理系統、圖書館管理系統以及門禁管理系統。結合其使用情況，針對數字校園管理中存在的問題，采用非接觸RFID電子標簽的感應卡實現“一卡通”管理，且性價比高，針對“一卡通”中的典型應用提出以下幾種應用設計方案，常用設備需求如圖1～圖3所示。

3 RFID技術典型應用案例設計

3.1 RFID會議無障礙身份識別系統設計

大型會議的組織管理工作復雜，會議組織管理工作的一個重要問題就是對參會人員進行有效的識別和統計。傳統的會議管理方法，將導致參會代表等候時間長、排隊簽到等現象，特別是人員簽到較為集中時，問題較為嚴重。目前會議簽到和識別普遍采用手工紙筆簽到、人工核對證件和刷卡等手段。這些方式存在以下問題:紙筆簽到易造成大面積擁堵，且有冒簽、代簽等現象，無法保證正確的參會數據;人工核對證件效率低，無法保證準確度，且不便于統計。刷卡需要參會代表到指定地點出示證件并排隊刷卡，欠缺人性化。結合會議組織工作的需要，較為理想的簽到和識別方案需具備以下特點:防偽特性(代表證不可偽造)、無需固定地點刷卡(參會者只需通過會場即可)、輔助人像識別(可判斷持卡者是否為本人)并且能夠對漏讀情況進行報警。

設計方案以遠距離識別RFID電子標簽技術為核心，輔以數碼攝像和紅外感應技術來實現其功能，RFID會議無障礙身份識別系統的主要結構如圖5所示。

由圖4可見，當參會者佩戴帶電子標簽感應卡，經過RFID感應裝置組成的通道時，會發生射頻和紅外感應。射頻感應信息即為參會證件信息，經主機判斷證件的有效性;只需人員通過便會發生紅外感應，系統則啟動攝像頭抓拍其面部圖片。如證件有效，主機將調出參會者照片及原始資料，并由管理人員核對圖像。整個過程精確聯動、高效、便捷。

從圖5可看出，正常的通過過程，會兩次進入射頻識別區域，并且兩次切割紅外線，這可以最大限度地避免盲讀情況，兩次切割紅外線還可判斷參會人員是進入或離開的作用。當然，設置紅外線識別的首要目的是在射頻識別后進行身份警示。

3.2 無障礙快速通道系統設計

高校圖書館的門禁系統多采用通道機設計，在實際使用過程中易發生機械故障，導致有證人員無法正常通行、無證人員尾隨鉆門等現象。采用無障礙快速通道來實現人員進出管制，是目前較為先進的管理方式。應用目標是在圖書館管理體系中建立一條基于RFID技術的快速通道，實現高效管理的人員門禁自動登錄系統。該系統沒有物理障礙，方便人員快速通行，無需刷卡便可實現，對無證人員的進入發出警報。如需要也可通過攝像機抓拍面部特征，與教務系統的讀者照片庫進行比對，實現了科學人性化管理。該系統由感應裝置、讀卡器、天線和通訊模塊組成，方案示意圖如圖6所示。

設計利用紅外光束來檢測人員通過和運動方向。在經過通道處分別埋設兩個天線，稱為A天線和B天線。(1)當攜帶感應卡的人員靠近A天線時，A天線讀取感應卡但不作任何輸出。(2)當感應卡從A天線到B天線時，則說明人員是按照進入(Entrance)的方向行走，這個過程中，感應卡前后被A天線和B天線讀取，當感應卡被B天線讀取時，讀卡器在A通道輸出信號，代表“進入信號”。(3)如果緊接著感應卡又從B天線返回A天線，則說明人員向出口方向行走，此時當感應卡返回A天線處時，讀卡器則在B通道輸出信號，代表“出信號”，通過進出信號的統計，可幫助管理員在閉館時清查人員。

3.3 開放有源RFID識別系統設計

教師上課對學生考勤尤為困難。通常教師需占用課堂時間進行點名考勤，并進行紙筆統計，且經常遇見冒名頂替等情況。

家長與學校有溝通需求，校訊通、家校通等系統的出現為學校和家長之間的溝通提供了有效手段。但大部分系統仍不完善，需進行人工干預。利用2.4 GHz有源RFID技術、計算機技術和無線通信技術相結合，通過2.4 GHz無線射頻識別系統、互聯網、通信技術、RFID卡為家長提供學生在校生活、學習等信息的溝通平臺。其主要實現的功能為:(1)學生出入校園，系統將實時短信通知家長。(2)學生在校路徑追溯，可記錄學生在校行動軌跡。(3)自動考勤系統，無需刷卡便可自動記錄。

RFID讀卡器分別安裝在學校門口、樓梯處以及教室門口，實現對學生實時定位識別。所有讀卡器連接組成一個總線型網絡連接至控制器。通過對學生采集到的原始數據，分析學生的考勤情況。每堂課的考勤情況會實時發送到教師的手機上方便核對。在期末的統計工作中，教務管理系統會自動統計出每位學生的出勤率，從而解決教師考勤難的問題。

圖8 教學樓考勤系統示意圖

3.4 遠距離車輛識別與車牌識別系統

車輛進出的傳統管理方式是發放通行證，人工驗證之后遙控放行。該方法速度慢，易出現擁堵等情況。人工自行刷卡、自動升桿，在實際運用中會出現忘帶磁卡、磁卡無電等情況，導致駕駛員必須通過與管理員進行交涉，因此放行速度更慢。

射頻識別(RFID)電子標簽作為快速、實時、準確采集與處理信息的新技術，作為傳統車輛管理方法的升級和補充，滿足了當今車輛管理要求。車輛電子標簽安裝在車輛的擋風玻璃或校園“一卡通”上，在車輛通道或停車場出入口安裝RFID讀寫器。在正常工作時，當車輛通過時，讀寫器將發出提示音，標明自動識別成功，讀寫器將讀取的信息傳輸到出入口控制機的微處理器內，實現車輛信息的采集和臨時車輛的繳費，并通過控制道閘等設備完成通道控制。

RFID系統是利用感應、無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，實現信息獲取和數據交換的自動識別技術。讀寫器通過天線向電子標簽發出微波查詢信號，電子標簽被其微波能量激活，接受到微波信號后應答并發出帶有車輛數據信息的回波信號。讀寫器接收到RFID車輛電子標簽信號后，由其中的解碼器解析出與車輛相關的信息，從而建立讀寫器與RFID電子標簽的通訊聯系，解析出的車輛信息再通過計算機處理，實現車輛自動識別的目的，如圖9所示。針對外來車輛，通過攝像頭進行車牌掃描照相存檔，建立臨時車輛信息數據，離開時作為繳費憑證。

4 結束語

數字校園的信息化程度和建設，是衡量學校的管理水平、科研應用等綜合能力的重要指標，是體現學校核心競爭力的重要因素，因此數字智慧校園已成為校園管理發展的趨勢。應用物聯網技術可以積極地推動智能數字校園系統的發展，能夠有效解決傳統校園建設中所遇到的困難，從而為廣大師生的日常學習和生活提供更為高效、優質的服務。

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