基于RFID的学童辅助管理系统设计

　　0 引 言

　　目前，对学生的管理上，大多数学校还是以传统的方法为主，例如视频监控、人员进出管理、广播通知系统[1]。这些传统方法在相关人员的参与下能起比较好的作用，但自动化程度低，管理起来费时费力;管理人员也容易因为疏忽而造成事故。针对以上问题，也有比较新的方法。如思科开发的综合校园管理系统 (结合门禁、视频监控、通讯系统、自动视频分析)[2]，这种监管系统是针对高校安全管理设计的，具有监控范围广，而且成本高、技术复杂等特点，不适合在小范围幼儿园或小学中应用。2005年在日本横滨，曾进行过利用RFID技术监控学童从家到学校这段路途状况的试验[3]。这种使用RFID监控学童在校外的试验，应该也能利用到校内的辅助管理。鉴于此，本文根据中小学生以及幼儿园儿童的特点，设计了一套基于RFID标签的学童辅助管理系统，实现了学童管理的自动化、智能化。

　　1 RFID技术

　　1.1 RFID介绍

　　RFID(radio frequency identification)是一种用于移动物体或移动物体之间的短距离数字通信技术[4]。RFID的特点通常是，通信的一端是一个简单的设备，而另一端是一个更复杂一些的设备。简单一点的设备(称为标签或卡片)很小，通常制作成一张卡片，携带比较方便，能大量使用。标签可以使用电池或其他形式自身“携带”的能量，驱动内部电路工作。这种标签称为主动标签，一般通信距离在50 m以上，而其他形式的标签则为被动标签，工作距离在10 m以内，工作时间视电池容量能工作2～5年。而复杂一点的设备(称为基站、读卡器或阅读器)能力更强，有一定运算能力，可以连接到一台主机上或接入网络。无线通信的频率范围是100Hz～10GHz。

　　1.2 RFID定位

　　RFID技术利用无线电进行通信，所以RFID定位不失一般无线电定位的方法。定位的方法按定位原理不同，有到达时间信息定位(TOA和TDOA)、到达场强信息定位(RSSI)和到达角度信息定位(AOA)三大类[5]。例如，RFID室内定位的一种实现方法是，利用多个阅读器和多个标签根据环境分布在定位区域，通过分析待定位标签的RSSI“指纹”来计算标签的位置，精度可达1 m以内，如M.Lionel Ni等人提出的LANDMARC室内定位系统[6]。这些方法实际上都是通过测量距离来进行定位的，虽然可以获取目标坐标，但定位成本相对较高，计算较为繁琐。

　　在本系统中，并不要求知道定位目标的准确坐标，因此可以使用基于区域的定位方法[7] (area localization scheme， ALS)。ALS是一种集中的无须测距的方法，它提供阅读器节点分布的区域。ALS将定位网络按地形划分成不同的区域，每个阅读器节点都以不同的灵敏度接收标签节点的广播信标信号，也就是说，在狭小的范围内，可以用低灵敏度接收信标信号，而在广阔的区域则要用高灵敏度来接收信标信号。当标签广播信号被阅读器节点监听到时，阅读器记录下标签的ID，并给上位主机发送信息，上位主机通过相关定位算法可以计算出标签节点所在的大概位置。这种方法属于粗粒度定位方法，成本低，精度也低，无需复杂计算。

　　2 系统设计

　　2.1 系统功能

　　本系统采用2.4 GHz的有源RFID技术，在每个学生卡的内部放置一个有源RFID标签，该标签会不断向外播送信息(标签标识信息—— 只有授权的阅读器能识别这些信息)，包括自身的编码和状态。接收到信息的阅读器会将信息(标签信息和阅读器信息)传送给管理主机。学童从进入校园的那一刻起，系统就开始自动跟踪学童，并记录学童的行动轨迹。由这些信息，系统可以分析出学童离校、到校以及是否进入危险区域等状况[8]，并根据可灵活定制的业务对这些状况给家长发送通知、给保安发送警报等相应的处理程序。系统还提供一个门户网站，家长可以在网站查询孩子的实时信息，与校方沟通;班主任可以查看本班的考勤和安全情况;领导可获知本校安全和缺席情况;管理员可管理各类人员的权限、注册人员信息、编写校历等。

　　2.2 系统框架

　　本系统结合当前学校的实际情况和需求，经过充分调查，根据先进性、经济性、实用性的原则定制了系统整体架构。整个系统分为4个层次，从下到上分别为基础设施层、数据资源层、业务逻辑层和综合表现层，图1所示是其系统结构图。

　　基础设施包括系统所需硬件，如RFID阅读器、RFID标签、服务器、通信网络，软件包括操作系统、架设门户网站用的服务器软件、数据库软件、通信软件、数据处理主程序。这一层为系统的运行提供软硬件环境。数据资源层包含系统数据的所有数据。基础数据存储系统的人员信息、阅读器信息、标签信息;监测数据存储阅读器上传后分析处理完的数据;业务数据存储特定业务相关的数据，如考勤业务会定期生成班级、学校的统计数据;管理数据存储权限数据和日志数据。业务逻辑层包含7个子系统。数据共享与交换子系统负责服务器与用户之间的数据交换;其余6 个子系统与综合表现层的6个子模块存在对应关系，详细情况在模块设计中予以介绍。

图 1 系统结构图

　　2.3 数据流 　　数据来源有两个地方，首先是阅读器上传的数据。这部分数据组成数据资源层的监测数据，是系统运行的基础。数据量大，自动处理，是这部分数据的特点。另一部分由门户网站产生。本系统面向管理员的唯一入口点就是门户网站，从这里管理着本系统运行的其他所有数据，即在数据资源层中，除监测数据和业务数据外的所有数据都可以通过门户网站管理。

　　图2所示是系统数据流示意图，其中箭头所指的方向表示数据流动的方向。

图 2 系统数据流示意图

　　3 系统设计

　　3.1 阅读器布设与通信

　　有源RFID信号具有一定的穿透能力，但物体对信号的也有很明显的遮蔽效果，为了保证定位数据有效，应允许阅读器的覆盖范围比实际定位范围稍大[9]。阅读器灵敏度调高之后，阅读器之间容易发生信号串扰，不应该收到信号的阅读器可能意外收到某个标签的信号，但根据信号的统计特性，当一个标签的信号同时被多个阅读器接收时，阅读器与标签之间没有遮挡的阅读器收到信号的频率会高于其他阅读器。每个教室都安装一个阅读器，监视上课出勤情况。危险区域，在入口处安装一个阅读器，监视学童非法进入危险区域的情况。其他一些要监视的区域也应该安装阅读器。

　　另一个重要的问题是监测进出校门的阅读器布设。最容易实现进出判断的情况是在一个狭长的通道中，通道的两头各安装一个阅读器。图3所示是典型的校门阅读器布设图，其中虚线圆表示阅读器的覆盖范围。此时，两个阅读器离得很近，这会导致信号串扰非常严重。两个阅读器虽然离得很近，但是只要两个阅读器之间保持一定距离，这段距离会使两个阅读器的覆盖范围有明显差异。这时，当某位学生从门外进入学校时，校门外的阅读器就应该先收到标签信号，进入校门后，最后一个收到信号的阅读器就应该是校门内的阅读器了。

图 3 校门阅读器布设图

　　为了便于后期处理，本系统对阅读器布设区域和不同用途的阅读器进行逻辑划分。对于每个定位区域，都给予一个区域编号，如校门编号为1，某某教室编号为2。阅读器根据用途不同分为三类：第一类，两个阅读器结对工作的，如校门进出判断，需要两个阅读器一块才能工作;第二类，单个阅读器且不在危险区域的，如教室;第三类，单个阅读器且在危险区域内的。有了这种逻辑分类以后，后面的数据处理逻辑就会比较简单，运算速度也会有一定提高。

　　阅读器的通信接口选择RS485接口。这种标准的通信接口，可通信距离超过1 000 m，半双工通信情况下，可以将多个设备串接到同一根总线上。当连接到主机上时，要将接口转换为RS232接口。

　　RS232接口也称串口。阅读器通信的参数设计如下：波特率9 600、8位数据位、1位停止位，无校验。通信信息格式如表1所列。编码方式采用的是ASCII码。

　　3.2 数据库设计

　　根据本系统的功能设计，给出了本系统关键数据存储表的设计。由功能设计的三个表所存储的数据如表2所列。

　　3.2.1 进出记录

　　学童的进出记录，每次进出都会在此表中插入一条记录。包含如表3所列的卡号、时间和进或出三个字段。

　　3.2.2实时位置

　　学童的实时位置可在表中进行数据实时刷新，包含卡号、时间和区域编号。具体如表4所列。

　　3.2.3历史位置

　　学童的活动轨迹亦包含在卡号、时间和区域编号中。具体设计与表4所列的实时位置表雷同。

　　3.3 功能模块设计

　　为了便于对功能划分与管理，本系统采用模块化设计。所有功能模块都是基于业务逻辑层的，与子系统对应，包含独立的功能，统一由门户网站对外提供服务。具体的功能模块设计如图4所示。

图 4 系统模块设计图

　　在人员信息模块中，可查询当前已注册的人员信息，以及其他的属性。添加人员功能中，除了注册必需的信息外，还要为人员分配角色。设备管理模块中，只有标签的管理，没有阅读器的管理。阅读器的安装需要反复的调试，测试信号串扰和严重程序，而且阅读器编号与地区编号还存在关联，这需要经过专业培训的人员才能为系统添加阅读器，因此门户网站没有提供这一功能。同理，也不会提供阅读器删除功能。在标签管理中，新买来标签要在此模块中注册，只有注册过的标签才会被系统识别。模块中还提供标签的启用、停用和删除功能。本系统中通知警报系统是用短信平台的方式来实现的。短信平台通过关联数据库指定的表来实现短信的收发，具体可分成三部分。被动发送负责与家长、老师之间的短信互动;定期发送负责考勤、安全信息的报告;警报信息负责即时信息的发送。在此模块中，管理员应该可以为不同角色、不同情况定义发送信息的模板。在短信警报模块中，可以为相关人员定制考勤信息的发送，但发送的内容比较简单，详细统计学校考勤信息、安全信息、学童一天内的路径回放。

　　4 结 语

　　与传统校园管理系统相比，本系统具有自主性、全天候的特点。系统基于RFID技术的智能监测手段，自动监视无死角，主动采集并及时发布学童在校信息，保障了学童状态的实时监控;利用短信平台作为通知发送和交流工具，及时跟踪学童的同时实现了与家长的顺畅交流，使信息真正发挥作用。因此，本系统在实现应用中有一定的参考价值。目前，本系统智能化程序还较低，对现有管理设施利用较少，如果能对RFID的定位数据做一些情景分析，或者与现有的管理设备对接起来，本系统将能发挥更大的作用。

　　参 考 文 献

　　[1] 尹晓敏. 美国如何加强校园安全管理[J]. 中小学管理， 2007(4)： 52-55.

　　[2] CISCO System. Campus safety overview (Higher Ed) [EB/OL]. [2013-05-03]. http：//www.cisco.com/web/strategy/docs/education/eduSafetyHiEd-broch.pdf.

　　[3] SWEDBERG C. RFID watches over school kids in Japan [J]. RFID Journal， 2005.

　　[4] LANDT J. The history of RFID [J]. IEEE Potentials， 2005， 24(4)： 8-11.

　　[5] 马宁. 基于RSSI的RFID室内无线定位算法研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2012.

　　[6] NI L M， LIU Y H， LAU Y C， et al. LANDMARC： indoor location

　　sensing using active RFID [C]// Proceedings of 1st IEEE Interna- tional Conference on Pervasive Computing and Communications. Fort Worth， Texas： IEEE， 2003： 407-415.

　　[7] ZHANG Y， YANG L T， CHENG J. RFID与传感器网络：架构、协议、安全与集成[M]. 谢志军，等，译.北京： 机械工业出版社， 2012.

　　[8] 夏秀峰， 边永， 李晓明. 基于规则匹配的RFID复杂事件检测框架及方法[J]. 沈阳航空航天大学学报， 2012( 29)： 58-63.

　　[9] 宋小伟， 胡圣波. RFID系统可靠性仿真测试[J]. 贵州师范大学学报：自然科学版， 2013(31)： 76-80.