基于ZigBee及RFID的智慧校園資產管理系統設計

程 澤，何啟睿，宋慶浩

(武漢工程科技學院 信息工程學院，湖北 武漢 430200)

0 引言

在現代教育改革進程中，信息技術已廣泛運用到高校校園的各個方面之中。目前大多數高校都沒有專門應對資產管理的信息化建設制度，僅靠傳統的一維、二維碼等“貼標簽”的資產管理方式，在日益增加的資產中暴露出了越來越多的問題。在現代智慧校園建設背景下，資產管理的改革對高校的建設發展發揮著越來越重要的作用，而實現信息化則是其改革的關鍵[1]。

1 資產管理總體設計

1.1 系統總體設計方案

1.1.1 智慧校園系統框架

智慧校園是在原數字校園的基礎上進化而來。數字校園在過去一段時間確實給高校信息化建設帶來了一定程度上的影響和變革，但這種變化依然是較為表面的、被動的，沒有從根本上改變校園的管理、教學、科研模式。為了提升高校信息化管理水平，改變以往低效率的傳統運作模式，在信息時代大背景下智慧校園概念越來越被重視。在2018年發布的《智慧校園總體框架(GB/T 36342—2018)》國家標準(以下簡稱《框架》)中提出，智慧校園總體框架建設應當分為基礎設施層、支撐平臺層、應用平臺層、應用終端和安全信息體系等。

1.1.2 資產管理系統設計方案

按照《框架》指導意見，智慧校園的資產管理應當在基礎設施、支撐平臺、應用平臺和應用終端都有所體現。智慧校園資產管理系統應當實現集成化、綜合化的管理作用，應當考慮到當前高校的實際情況，兼顧效率與安全，建立從硬件設備、軟件應用到網絡服務的一體化管理體系。

智慧校園資產管理系統主要由資產標識、資產分析、資產管理、資產安全等子系統組成，如圖1所示。其中基礎設施層智慧校園資產管理系統最基本的物理層，包含電子標簽、傳感器、感知設備等數據標識與采集單元，實現對固定和流動資產的標識、圖像、位置、狀況等信息采集；支撐平臺層則是對基礎采集單元采集的數據進行存儲、分析并提供數據接口服務，并借助分布式計算等對數據進行初步加工處理；應用平臺層包含數據報表、資源管理、分類編目等單元，是對支撐平臺數據服務的進一步處理加工，對不同數據進行融合、分析、整理和判斷；應用終端是將前三層數據整合生成報表最終呈現在用戶面前的模塊，用戶可以通過多平臺對資產進行深度追蹤和管理，同時也能借助接口服務進一步開發利用。

圖1 資產管理系統總體架構

1.2 ZigBee技術

ZigBee技術是一種低成本、低功耗的雙向無線通信技術，適用于傳輸范圍較短且數據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間，底層則采用IEEE 802.15.4標準規范媒體訪問層與物理層。相較于傳統的網絡通信技術，ZigBee技術表現出更為便捷、高效的特征。在ZigBee網絡中，我們可以根據設備具體實現功能的不同進一步區分為終端節點、路由節點和協調器節點等節點，終端節點采集數據并通過路由或協調器節點接入網絡，也可以通過協調器節點傳送控制指令。

ZigBee技術作為無線傳感器網絡的通信平臺，可實現對各種環境及參數實時監控和智能預警，網絡中每個無線傳感器節點可自行組織形成無線傳感器通信網絡[2]。

1.3 RFID技術

射頻識別(RFID)通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的，識別工作無須人工干預。RFID通過供電方式可分為三類：無源RFID，有源RFID，與半有源RFID。用戶可以自定義RFID標簽內的存儲信息，有利于對物品基礎信息的掌握和區分，并可以被讀寫器進行讀寫操作。

1.4 ZigBee與RFID技術的區別

ZigBee和RFID在物聯網的技術中的作用主要體現在信息采集上。對于較大型或元器件復雜的物體，RFID存在著讀寫距離的問題，然而通過與ZigBee的搭配，無疑會給終端識別管理技術帶來強大的動力。同時ZigBee設備有自組網的特性，所以一個連一個就可以實現遠距離的數據的傳輸，這也就使得可以讓ZigBee的終端節點和一些監控設備或者像一些壓力和溫度感應進行組合使用，也可以進行一些遠距離的監測像環境采集。從優缺點方面上看，RFID和ZigBee在某些方面就有一種互補的感覺，RFID無法實現長距離的監測，而ZigBee就可以；無源RFID電子標簽容易粘貼物體，可大量復制，成本較低，相對的ZigBee集成度高成本也就更高。ZigBee和RFID技術的結合是大勢所趨，而對于在物聯網中的應用，其互相搭配的作用顯而易見，對某些設備進行一些狀態的監測和對設備進行消息發送就可以很好的運用到ZigBee和RFID技術。

2 校園資產管理系統的設計

2.1 資產標識子系統

資產標識主要采用RFID電子標簽進行記錄。在讀寫器設備不含天線的情況下，PHILIPS公司封裝的UCODE HSL電子標簽的穩定讀卡距離可達十米左右。在2.45GHz的超高頻段上，全世界都可以免費使用，UCODE HSL使用18000-6國際標準協議，同時兼容ISO18000-4，向下兼容ANSI 256/Intellita。同時UCODE HSL電子標簽具有2Kbit的存儲記憶體，用戶可以自定義標簽所屬物品的屬性等信息，方便對物品相關數據進行收集、追蹤和接收終端信息的反饋[3]。

在一定范圍內，需要布置有相對應的讀寫器、協調器和路由設備(見圖2)，對電子標簽實時讀取，并向分析系統反饋數據信息。同時，可以在較貴重的電子實驗設備(如計算機、機床等)嵌入ZigBee模塊，實時獲取設備的運行狀態。而ZigBee也可以采用自組織網形式，使各個模塊彼此在網絡的通信范圍中尋找彼此，形成一個新的ZigBee網絡。模塊之間還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的相互聯絡關系，對原有網絡進行刷新。

圖2 物聯網識別終端樹狀拓撲結構

路由和協調器對設備信息進行無線讀取、匯總，將自身位置等信息一并提交到數據服務器中。

2.2 資產分析子系統

資產分析子系統包括數據存儲、數據分析等服務，應當基于分布式存儲及備份、分布式計算和云計算等服務，建立資產項目大數據模型，為后續算法提供大量、可溯的數據支撐。還包括數據接口以方便開發者或云計算技術直接調用數據資源。

物聯網的數據處理關鍵技術主要有分類處理和關聯規則處理兩方面。分類處理是指通過相關文本信息處理系統對物聯網中的目標數據進行分類處理，然后依據預先設定的分類標準建立虛擬模型，以此來對物聯網數據進行分類，能有效避免物聯網數據處理失誤。關聯規則處理則是指通過文本信息處理技術，分析物聯網數據之間存在的聯系性，然后根據實際的聯系性將其有機結合起來，處理為有效應用數據[4]。

2.3 資產管理子系統

資產管理子系統由電子標簽、讀寫器以及微控制器構成。標簽中存有物品的標識信息，如物品名稱、物品屬性、教室歸屬等。讀寫器一個位于封閉房間(如教室、場館等)門內稱為門內讀寫器，另一個位于封閉房間門外稱為門外讀寫器。兩個讀寫器的作用就是在其讀卡范圍內檢測識別并發送帶有電子標簽的物品信息。通過兩個讀寫器對同一物品的標簽讀取順序來識別物品是進入還是離開區域。當有人將區域內可借出物品借出或歸還時，需要向管理員申請，征得同意后方可將物品借出或歸還。

通常情況下，電子標簽由耦合元件和芯片組成，每個標簽在芯片中存儲能夠標識目標對象的標識信息，因此，每個目標對象具有唯一的ID編碼。無源電子標簽成本遠遠低于有源電子標簽的成本，并且有通用的協議標準。因為電子標簽需要貼在物品內部，其金屬外殼、電路板等電子器件會對電子標簽有巨大的影響，導致讀卡器難以讀到有效數據，因此，需要對電子標簽內部采取防金屬化處理[5]。

3 結語

物聯網的發展勢必會伴隨著無線通信技術的發展，ZigBee和RFID只是其中的幾個比較常用的代表，除此之外還有基于NB-IOT、NFC等技術的物聯網終端通信方式，各有各的優勢和不足。文章主要對智慧校園的資產管理模塊提出了基于物聯網的建設構想，同樣的通信技術也可以運用在智慧校園系統其他模塊上。如何靈活運用物聯網進行數據采集是數據分析、大數據等工作的基礎，也是整個智慧校園系統的核心部分。