RFID智慧校園安防管理系統(tǒng)研究與應用

李勝　呼家龍　劉俞

[摘要]針對校園管理存在的信息處理手段落后的問題，提出了一種基于RFID遠距離自動識別技術的校園安全管理系統(tǒng)設計方案，給出了無線傳感器和中間件技術在系統(tǒng)軟件中的應用。實驗結果表明，該管理系統(tǒng)能夠對校園安全實行全方位的監(jiān)控和管理，非工作人員接近重要或危險區(qū)域自動報警，學生在校內(nèi)信息及時與家長互動，實現(xiàn)了校園安全管理的實時自動化，提高了校園安全管理效率。

[關鍵詞]智慧校園；物聯(lián)網(wǎng)；中間件：RFID；ZigBee

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）03-0095-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.019

引言

學校是教書育人的場所，安全和諧的校園環(huán)境關乎廣大師生的身心健康和生活秩序，也承載著每個家庭的幸福和社會穩(wěn)定等社會責任。隨著社會發(fā)展，校園突發(fā)事件明顯增多，不明身份的人很容易出入校園；家長除了借助通信工具與老師進行溝通，很難及時了解孩子出入校園信息；校內(nèi)重要場所、危險區(qū)域除了視頻監(jiān)控、文字警示外，沒能借助現(xiàn)代新技術實現(xiàn)語音提示、安全聯(lián)動報警等功能。校園安全管理工作基礎薄弱，迫切需要借助技術手段實現(xiàn)全方位、多渠道方式加強和諧校園建設管理。

近年來，隨著RFID技術提升、成本下降，使得其在物流管理、食品溯源、高速收費等領域成功應用，把RFID技術應用到校園安防系統(tǒng)，必將有力促進和諧校園的建設工作。

一.物聯(lián)網(wǎng)技術內(nèi)涵與特征

1.RFID原理及技術特性

RFID（Radio Frequency Identification System），即無線射頻識別系統(tǒng)，是一種無線自動識別技術，也稱電子標簽技術，是自動識別技術的一種創(chuàng)新，可通過無線電信號來識別特定目標并進行相關數(shù)據(jù)的讀寫，而無須在特定目標與識別系統(tǒng)之間建立光學或機械接觸，它利用無須電波來傳送識別的數(shù)據(jù)。透過對象上的微電子芯片“標簽”。每個標簽都會自動發(fā)射出特有的ID碼，通過無線傳輸，不須實體接觸即可完成數(shù)據(jù)交換，且數(shù)據(jù)交換時也無方向性要求，因此能夠提供充足的對象信息。它將相關信息傳送到計算機系統(tǒng)里，用以對對象進行追蹤、識別、排序和確認。

無線射頻識別系統(tǒng)基本組成單元包括RFID標簽（Tag）、RFID讀寫器（Read）、數(shù)據(jù)傳送與處理系統(tǒng)。RFID標簽是內(nèi)存帶有天線的芯片，芯片中存儲有能夠識別目標的信息，它具有信息接收傳播穿透性強、持久性、種類多、存儲信息容量大等特點。讀寫器由接收儀、發(fā)送器、收發(fā)器和控制模塊組成，控制模塊和收發(fā)器中的可編程邏輯控制器連接，實現(xiàn)溝通功能。讀寫器通過接收標簽發(fā)出的無線電波接收讀取數(shù)據(jù)，由控制計算器處理接收到的數(shù)據(jù)從而進行管理控制。在主動射頻系統(tǒng)中，標簽中裝有電池；被動射頻系統(tǒng)中，標簽必須在讀寫頭的一定范圍內(nèi)活動，以便獲得能量傳輸數(shù)據(jù)。

2.適用于校園安防管理的電子標簽的識別方式

讀寫器識別電子標簽的方式主要有三種：近距離人工刷卡、無源遠距離識別和有源遠距離識別。在系統(tǒng)集成中，識別方式的選擇是非常至關重要的，將直接影響到系統(tǒng)的讀取率和便利性。

近距離人工刷卡方式：高頻（HF）和低頻（LF）IC型電子標簽（比如公交卡，傳統(tǒng)門禁卡等）與相應讀寫設備的應用，由于其識別范圍在15cm之內(nèi)（標簽到讀寫器的直線距離），用戶必須將電子標簽取出并上前靠近讀卡器才能被識別。這種方式盡管識別率高且成本低廉，但由于在使用中需要用戶依次逐個識別。在進出校門的高峰期會形成擁擠現(xiàn)象，容易引發(fā)安全事故，所以目前這種工作方式幾乎已經(jīng)被淘汰。

無源遠距離識別方式：超高頻（UHF）頻段以915M為主的讀卡設備和無源ID型電子標簽的應用，其識別范圍達到10米左右，可解決近距離人工刷卡方式識別效率低的問題。個別較好的讀卡設備能夠支持多達50個射頻卡的同時并發(fā)讀卡，相交之前可大大改善用戶的通行速度，無需逐次排隊進出校門。但這種方式仍存有很多應用上的問題：（1）無源電子標簽不能被金屬物和人體遮擋，這就需要每個人在進出校時不能背對讀卡器天線位置，同時電子標簽也不能放置在衣服口袋或書包內(nèi)，也不能緊貼人體；（2）無源電子標簽不可以與任何金屬物混放在一起，否則無法被識別到；（3）在識別范圍內(nèi)，大流量人員的出入也會造成較高的漏讀或錯讀情況。這些缺陷的存在以至于這一技術基本無法應用于平安校園領域。

有源遠距離識別方式：主要以2.4～2.48G頻段為主，最有實用價值，同時也是最適合校園的一種識別方式。使用有源的讀卡器設備和電子標簽識別距離極遠，可在50米半徑范圍內(nèi)輕松讀取，同時支持多達200個電子標簽的同時并發(fā)讀取，最關鍵的是有源電子標簽能夠克服人體、衣物以及非封閉金屬環(huán)境等遮擋，大量學生一起進出依然能保證極高的讀取準確率。

3.RFID中間件及其在物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中的作用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的逐步成熟及系統(tǒng)應用的不斷推廣普及，許多的應用將涉及廣泛的設備范疇，其間所涉及的采集設備（如各類傳感器、RFID讀寫器）種類繁多，如何最大限度縮短應用軟件的開發(fā)周期，統(tǒng)一管理各種硬件設備，與第三方軟件的系統(tǒng)集成等許許多多實際應用問題催生出新的系統(tǒng)誕生一一中間件。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)綜合處理平臺（簡稱中間件）在研究多種類型的讀卡器接口方式、通訊協(xié)議等基礎上研發(fā)出可以適用不同的硬件（讀卡）設備，能提供多種策略的該平臺數(shù)據(jù)被應用軟件靈活調用。RFID中間件扮演應用程序與RFID標簽之間的中介角色，中間件所提供的一組通用應用程序接口（API）供應用程序端使用，即能連到RFID讀寫器，讀取標簽數(shù)據(jù)。這樣一來，即使讀寫RFID讀寫器種類增加、改由其他軟件取代或應用程序增加等情況發(fā)生時，應用端不需修改也能處理，省去多對多連接的維護復雜性問題。該平臺具有對不同類型的讀卡器設備進行管理和參數(shù)設置、數(shù)據(jù)過濾（時間過濾、條件過濾等）、實時監(jiān)控設備運行、建立數(shù)據(jù)表并與數(shù)據(jù)庫連接等功能，為物聯(lián)網(wǎng)技術與應用的發(fā)展不僅創(chuàng)造了可持續(xù)發(fā)展的共性平臺、綜合平臺，更為將來更多的開環(huán)（大型）系統(tǒng)的應用奠定了扎實的開放的環(huán)境基礎，極大的降低勞動成本、提高開發(fā)效率及更好的整合兼容性。中間件系統(tǒng)應用見圖1。

中間件是一種開放的、可擴展的物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺，支持“不同廠家、不同型號、不同數(shù)據(jù)格式、不同通信協(xié)議、不同通信方式”的物聯(lián)網(wǎng)終端設備：利用“二次采集”技術，對終端設備采集到的數(shù)據(jù)進行“二次采集”，即對采集到的數(shù)據(jù)包進行分析并轉換，輸出標準格式的數(shù)據(jù)；當終端設備發(fā)生故障時能夠自動提醒和處理，甚至自動修復，并且不影響其他相關終端設備的正常工作，很大程度上減少了維護難度：能對不同類型物聯(lián)網(wǎng)終端設各進行獨立且便捷的配置、添加和管理，甚至可以控制設備的工作狀態(tài)和采集速度：能獨立分析不同廠家和型號終端設備的數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)包標識分析、長度分析和綜合分析，把“專業(yè)的數(shù)據(jù)”變成“通用的數(shù)據(jù)”；能支持500個以上終端設備同時運行；能根據(jù)用戶需要將數(shù)據(jù)轉換成十六進制、十進制、字符串格式，具有“標準化數(shù)據(jù)輸出”技術，便于數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計。

4.ZigBee技術

ZigBee技術是一組基于IEEE802.15.4無線通信標準的、面向自動化和無線控制的無線網(wǎng)絡方案，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee是成本和功耗最低的技術。ZigBee的低數(shù)據(jù)率和通信范圍較小的特點，決定了它適合承載數(shù)據(jù)流量較小的通信業(yè)務。其通信速率在2.4GHz時為250Kb/s，在915MHz時為40Kb/s，在868MHz時為20Kb/s，傳輸距離為10～75m。

ZigBee主要適合于傳感、遠程控制和工業(yè)控制領域。數(shù)千個微小的傳感器之間通過ZigBee相互協(xié)調，實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要極小的能量，將通信數(shù)據(jù)通過無線電波以接力的方式從一個傳感器傳到另一個傳感器，不僅通信效率很高，網(wǎng)絡容量也大，一個ZigBee網(wǎng)絡可容納多達1個主設備和254個從設備，一個區(qū)域內(nèi)可同時容納近百個ZigBee網(wǎng)絡。這些特點使得其在傳感器網(wǎng)絡、工業(yè)監(jiān)控、安全系統(tǒng)、家庭監(jiān)控等領域有很大的發(fā)展空間。

二.平安校園管理系統(tǒng)設計

當前，大多數(shù)學校的校園信息管理系統(tǒng)僅僅發(fā)布學校相關信息，校園主要場所或重要區(qū)域安裝攝像監(jiān)控，學校、學生和家長之間只能以電話、手機等通信工具取得聯(lián)系。由于教師要面對許多學生，不可能有過多的精力每天逐一與家長進行電話溝通。因此三者之間無法進行及時有效的信息溝通，家長對孩子在校的情況也不能做到全面、及時地了解與掌握。傳統(tǒng)的校園管理系統(tǒng)存在著管理效率低、成本高、功能有限等不足。

隨著信息技術的發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與應用，給校園安防系統(tǒng)帶來技術性的飛躍，使學校、家長與學生三者之間信息及時互通成為可能。平安校園管理系統(tǒng)是指利用計算機、物聯(lián)網(wǎng)、RFID射頻識別與無線通信技術，打造的具有安全、支付、家校溝通、信息采集等功能的綜合應用系統(tǒng)，它可以實時的將學生考勤、學習、考試、作業(yè)、體檢信息、消費情況等進行反饋，建立學校家長方便快捷、有效及時溝通的教育信息互動平臺，對校園重要區(qū)域或危險場所進行電子監(jiān)控報警，實現(xiàn)防患于未然。平安校園安防管理系統(tǒng)結構見圖2。

三.平安校園管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)技術主要由三個層的設備構成，底層包括身份識別裝置（密碼、指紋（生物識別）、讀卡（IC或ID等））、電子門鎖、出門按鈕、報警傳感器和報警喇叭等；控制器用來接收底層設備采集來的人員信息，與服務器的數(shù)據(jù)庫校驗其授權情況后做出處理；龐大的門禁系統(tǒng)是將多個控制器、底層設備構筑的小系統(tǒng)通過通信總線與中央控制計算機相聯(lián)所組成。門禁系統(tǒng)結構圖見圖3。

其功能可概括為權限管理——每個出入口可對進出的人進行授權，限制某一個或多個人員是否可以通過此出入口，常用的判斷方式有密碼、指紋（生物識別）、讀卡（IC或ID）等，還可對該出入口指定時間段的進出情況給予設置：實時監(jiān)控_系統(tǒng)管理員可以通過終端機實時查看每個出入口及區(qū)域的人員進出情況以及它們的狀態(tài)（包括出入口當前開關狀態(tài)和各種非授權狀態(tài)的報警等）；也可以在緊急狀態(tài)關閉或打開所有或單個的出入口；記錄查詢——系統(tǒng)可儲存所有的狀態(tài)記錄、進出記錄，可按不同的查詢條件查詢，配備相應考勤軟件可實現(xiàn)考勤、門禁一卡通：異常報警——在異常情況下可實現(xiàn)終端機報警或報警器報警，如：門超時未關、非法侵入等。

2.校園危險區(qū)域安防系統(tǒng)

校園危險區(qū)域安防系統(tǒng)是為加強對特定區(qū)域的安全防范，結合人機對話以及邏輯判斷技術實現(xiàn)智能控制，使得系統(tǒng)更加靈活，具有前瞻性。該系統(tǒng)可實現(xiàn)外圍周界檢測及防御一一對周界進行智能分析檢測，可對外圍徘徊人員進行語音警告，并對翻越人員進行有效防御，采取智能檢測可有效避免誤檢和漏檢，通過軟件智能分析可有效區(qū)分人員或動物干擾；過渡區(qū)檢測及防御——對位于核心區(qū)域與外圍防御區(qū)之間的過渡區(qū)采取跟蹤定位，當外圍區(qū)域被侵入時快速定位侵入人員并采取相應措施對其進行防御，同時可結合視頻監(jiān)控設備對其進行抓拍：核心區(qū)域防御——此功能包括門窗的檢測防御，以及重要區(qū)域的緊急防御，同時對該區(qū)域的重要出入口實施緩沖措施，即對出入口區(qū)域設定緩沖區(qū)，當該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多人的情況下系統(tǒng)需要所有人員驗證身份后才許可進入，可有效避免內(nèi)外結合以及跟隨人員進入的可能性；緊急防御功能——此功能只在當核心區(qū)域被侵入時才啟動，在正常情況下用戶是安全的，能有效避免無侵入情況下的誤觸發(fā)；備用電源功能——確保供電失常情況下，系統(tǒng)仍能保持一段時間的正常使用，使通訊暢通無阻，有效避免非法人員企圖通過中斷電源來入侵系統(tǒng)。

3.師生考勤集成系統(tǒng)

基于RFID技術的學生上課出勤和教師考勤系統(tǒng)是指利用自動識別技術和無線射頻管理學生和教師是否按時進入各自指定區(qū)域的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動識別身份信息——在學生/教師進入教室的時候，閱讀器讀取當前進入教室的學生/教師ID卡電子標簽號，并通過與后臺服務器數(shù)據(jù)庫的信息對比，從而自動識別該學生/教師進入教室時的身份并記錄在服務器數(shù)據(jù)庫中；課程排班對比：當學生/教師進入讀寫器識別范圍時，系統(tǒng)會自動把其證件ID號與服務器數(shù)據(jù)庫中的學生班級名冊或課程排班表進行比對，核對目前所處教室的班級名單以及檢查上課教室是否符合教師授課；生成出勤/考勤記錄一一針對核對正確的學生/教師，自動記錄出勤/考勤時間，并根據(jù)時間條件判斷是否曠課或遲到，同時自動更新后臺的考勤數(shù)據(jù)表，并由此實時計算出勤/考勤合格率。

為預防少數(shù)學生試圖蒙騙考勤系統(tǒng)而可能同時攜帶別人的ID卡的情況，可由任課教師使用手持機等便攜設備即時清點學生ID卡總數(shù)，如與系統(tǒng)統(tǒng)計出的人數(shù)不符，則說明有無效的學生ID信息。師生考勤集成系統(tǒng)結構見圖4。

4.短信平臺系統(tǒng)

學生是否按時到校、何時離開校園以及在校出勤等表現(xiàn)情況是家長極為關心的，短信平臺是學校與家長之間最為有效的溝通平臺。

短信平臺系統(tǒng)具備自動發(fā)送即時信息一一學生到校（上學）、離校（放學）時，相關的安全信息會通過短信貓（貓池）自動發(fā)送到與該學生所佩戴電子標簽ID號匹配的家長手機上，以便家長及時了解子女上學及放學的安全情況，同時也可以用此功能發(fā)送例如：家長會、要求家長提供的教育協(xié)助信息、放假通知等信息；缺席自動警報一一如果某位學生的電子標簽沒有在規(guī)定時間段被識別到，則系統(tǒng)自動判斷為缺席，則將自動發(fā)出警報提示，提示學校管理員注意，并自動將警報信息發(fā)送給其家長，從而方便采取下一步措施；集中式緊急通知——如果遇到緊急意外情況，可以在第一時間將緊急意外情況通知到所有家長，準確、快捷、通知率高，保證所有學生的安全；查詢便利——借助網(wǎng)絡的拓展功能可以將客戶端安裝在學校任何一臺電腦上，方便學校相關部門分級分權限地來查詢和打印有關信息，短信平臺結構見圖5。

5.網(wǎng)絡視頻集成系統(tǒng)

網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指使用寬帶網(wǎng)絡提供聲音、圖像和各種報警信號，遠距離采集、傳輸、儲存與處理的全新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡視頻集成系統(tǒng)不僅具有攝錄像功能，還能根據(jù)編組的讀卡器讀到的相關信息進行相應處理：自動采集發(fā)送——當與攝像頭編組的讀卡器讀取到電子標簽ID時，該攝像頭將會自動采集當前幀（畫面），進行預處理后保存為圖片，并通過網(wǎng)絡發(fā)送到服務器；自動警報一一如某些特定區(qū)域讀取到的電子標簽ID號，且該人物不可進入此區(qū)域，系統(tǒng)將自動發(fā)送一條包含報警時間、報警地點的報警短信給該電子標簽的持有人，并將畫面信息和相關證據(jù)存入服務器；查詢歷史記錄——根據(jù)特定條件，如：時間段、攝像頭安裝點、電子標簽ID號、用戶名等等進行有針對性的查詢，調出歷史記錄或拷貝至移動設備。網(wǎng)絡視頻集成結構見圖6。

6.防火報警系統(tǒng)

基于無線物聯(lián)網(wǎng)zigBee技術的防火預警系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的有線或人工預警監(jiān)控系統(tǒng)效率高、施工復雜度低。這種防火報警系統(tǒng)由分布于校園多個局部監(jiān)控系統(tǒng)和中央監(jiān)控系統(tǒng)組成。局部監(jiān)控系統(tǒng)包含協(xié)調器節(jié)點、傳感器節(jié)點、計算機、報警設備和多層路由等。協(xié)調器節(jié)點與計算機相連，由路由節(jié)點對分布在校園有安全隱患場所配置傳感器的子結點進行來回呼喚、檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)校園火災隱患的早期報警。

傳感器節(jié)點采用新型煙霧、溫度或一氧化碳傳感器，通過計算機控制系統(tǒng)對傳感器信號進行實時監(jiān)控，判斷是否有火災安全隱患，通過無線通信協(xié)議ZigBee把相關數(shù)據(jù)傳給路由節(jié)點，由其匯總給協(xié)調器節(jié)點乃至計算機，從而實現(xiàn)無線網(wǎng)絡化的校園防火報警系統(tǒng)。通過有線的方式將分散的局部防火報警系統(tǒng)連接起來，組建成整體的校園防火報警系統(tǒng)，并匯聚形成校園防火報警中央監(jiān)控系統(tǒng)。一旦發(fā)生火災，校園防火報警系統(tǒng)可以通過多種方式報警，準確地確定火災發(fā)生的位置，可與消防部門聯(lián)動，降低火災損失。

7.圖書借閱及餐飲消費等系統(tǒng)平臺

在校園安全管理系統(tǒng)平臺基礎上，只要在例如圖書館、食堂等地安裝讀寫器設備，并將學生，教師佩戴的RFID電子標簽號與服務器數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)，同時配以所需的應用軟件就可以實現(xiàn)所需的功能。

在餐飲方面，如果較早前的一卡通設備皆采用13.56MHz頻段的HF設備，

只需要額外配備雙頻卡，900MHz+13.56MHz，或2.4GHz+13.56MHz即可聯(lián)網(wǎng)。

四.模擬測試

依據(jù)本文的設計方案，在作者所在單位搭建3間教室、有70余名學生參與的智慧校園安全管理系統(tǒng)測試環(huán)境。在教室入口處模擬設置上學、下學門禁功能并兼作師生考勤；家長短信通知模擬發(fā)送給輔導員；一間教室模擬為危險區(qū)域自動報警；網(wǎng)絡視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。通過收集半年的試運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)意外故障，RFID檢測正確率99%（由于個別學生持有的RFID卡失效造成漏讀），短信通知發(fā)出率100%，能及時準確發(fā)出預警信息，參與模擬測試的師生對預設的功能實現(xiàn)非常滿意，該系統(tǒng)提供的基礎數(shù)據(jù)有利于安全和諧校園建設。后期將繼續(xù)完善相關功能，逐步研究拓展智慧校園涵蓋的范圍和技術。

五.結束語

RFID技術能夠有效增加校園安全的監(jiān)控力度，拓寬校園安全監(jiān)控范圍，有力地促進智慧校園綜合網(wǎng)絡建設。通過校園門禁管理、短信平臺、考勤管理、安全監(jiān)控系統(tǒng)等平臺應用，建設一個可視化的校園綜合管理平臺，實現(xiàn)全新的智能化校園。

編輯：小西