基于RFID的學童輔助管理系統(tǒng)設計

　　0 引 言

　　目前，對學生的管理上，大多數(shù)學校還是以傳統(tǒng)的方法為主，例如視頻監(jiān)控、人員進出管理、廣播通知系統(tǒng)[1]。這些傳統(tǒng)方法在相關(guān)人員的參與下能起比較好的作用，但自動化程度低，管理起來費時費力;管理人員也容易因為疏忽而造成事故。針對以上問題，也有比較新的方法。如思科開發(fā)的綜合校園管理系統(tǒng) (結(jié)合門禁、視頻監(jiān)控、通訊系統(tǒng)、自動視頻分析)[2]，這種監(jiān)管系統(tǒng)是針對高校安全管理設計的，具有監(jiān)控范圍廣，而且成本高、技術(shù)復雜等特點，不適合在小范圍幼兒園或小學中應用。2005年在日本橫濱，曾進行過利用RFID技術(shù)監(jiān)控學童從家到學校這段路途狀況的試驗[3]。這種使用RFID監(jiān)控學童在校外的試驗，應該也能利用到校內(nèi)的輔助管理。鑒于此，本文根據(jù)中小學生以及幼兒園兒童的特點，設計了一套基于RFID標簽的學童輔助管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了學童管理的自動化、智能化。

　　1 RFID技術(shù)

　　1.1 RFID介紹

　　RFID(radio frequency identification)是一種用于移動物體或移動物體之間的短距離數(shù)字通信技術(shù)[4]。RFID的特點通常是，通信的一端是一個簡單的設備，而另一端是一個更復雜一些的設備。簡單一點的設備(稱為標簽或卡片)很小，通常制作成一張卡片，攜帶比較方便，能大量使用。標簽可以使用電池或其他形式自身“攜帶”的能量，驅(qū)動內(nèi)部電路工作。這種標簽稱為主動標簽，一般通信距離在50 m以上，而其他形式的標簽則為被動標簽，工作距離在10 m以內(nèi)，工作時間視電池容量能工作2～5年。而復雜一點的設備(稱為基站、讀卡器或閱讀器)能力更強，有一定運算能力，可以連接到一臺主機上或接入網(wǎng)絡。無線通信的頻率范圍是100Hz～10GHz。

　　1.2 RFID定位

　　RFID技術(shù)利用無線電進行通信，所以RFID定位不失一般無線電定位的方法。定位的方法按定位原理不同，有到達時間信息定位(TOA和TDOA)、到達場強信息定位(RSSI)和到達角度信息定位(AOA)三大類[5]。例如，RFID室內(nèi)定位的一種實現(xiàn)方法是，利用多個閱讀器和多個標簽根據(jù)環(huán)境分布在定位區(qū)域，通過分析待定位標簽的RSSI“指紋”來計算標簽的位置，精度可達1 m以內(nèi)，如M.Lionel Ni等人提出的LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)[6]。這些方法實際上都是通過測量距離來進行定位的，雖然可以獲取目標坐標，但定位成本相對較高，計算較為繁瑣。

　　在本系統(tǒng)中，并不要求知道定位目標的準確坐標，因此可以使用基于區(qū)域的定位方法[7] (area localization scheme， ALS)。ALS是一種集中的無須測距的方法，它提供閱讀器節(jié)點分布的區(qū)域。ALS將定位網(wǎng)絡按地形劃分成不同的區(qū)域，每個閱讀器節(jié)點都以不同的靈敏度接收標簽節(jié)點的廣播信標信號，也就是說，在狹小的范圍內(nèi)，可以用低靈敏度接收信標信號，而在廣闊的區(qū)域則要用高靈敏度來接收信標信號。當標簽廣播信號被閱讀器節(jié)點監(jiān)聽到時，閱讀器記錄下標簽的ID，并給上位主機發(fā)送信息，上位主機通過相關(guān)定位算法可以計算出標簽節(jié)點所在的大概位置。這種方法屬于粗粒度定位方法，成本低，精度也低，無需復雜計算。

　　2 系統(tǒng)設計

　　2.1 系統(tǒng)功能

　　本系統(tǒng)采用2.4 GHz的有源RFID技術(shù)，在每個學生卡的內(nèi)部放置一個有源RFID標簽，該標簽會不斷向外播送信息(標簽標識信息—— 只有授權(quán)的閱讀器能識別這些信息)，包括自身的編碼和狀態(tài)。接收到信息的閱讀器會將信息(標簽信息和閱讀器信息)傳送給管理主機。學童從進入校園的那一刻起，系統(tǒng)就開始自動跟蹤學童，并記錄學童的行動軌跡。由這些信息，系統(tǒng)可以分析出學童離校、到校以及是否進入危險區(qū)域等狀況[8]，并根據(jù)可靈活定制的業(yè)務對這些狀況給家長發(fā)送通知、給保安發(fā)送警報等相應的處理程序。系統(tǒng)還提供一個門戶網(wǎng)站，家長可以在網(wǎng)站查詢孩子的實時信息，與校方溝通;班主任可以查看本班的考勤和安全情況;領(lǐng)導可獲知本校安全和缺席情況;管理員可管理各類人員的權(quán)限、注冊人員信息、編寫校歷等。

　　2.2 系統(tǒng)框架

　　本系統(tǒng)結(jié)合當前學校的實際情況和需求，經(jīng)過充分調(diào)查，根據(jù)先進性、經(jīng)濟性、實用性的原則定制了系統(tǒng)整體架構(gòu)。整個系統(tǒng)分為4個層次，從下到上分別為基礎設施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務邏輯層和綜合表現(xiàn)層，圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　基礎設施包括系統(tǒng)所需硬件，如RFID閱讀器、RFID標簽、服務器、通信網(wǎng)絡，軟件包括操作系統(tǒng)、架設門戶網(wǎng)站用的服務器軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、通信軟件、數(shù)據(jù)處理主程序。這一層為系統(tǒng)的運行提供軟硬件環(huán)境。數(shù)據(jù)資源層包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)?；A數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的人員信息、閱讀器信息、標簽信息;監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲閱讀器上傳后分析處理完的數(shù)據(jù);業(yè)務數(shù)據(jù)存儲特定業(yè)務相關(guān)的數(shù)據(jù)，如考勤業(yè)務會定期生成班級、學校的統(tǒng)計數(shù)據(jù);管理數(shù)據(jù)存儲權(quán)限數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)。業(yè)務邏輯層包含7個子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)共享與交換子系統(tǒng)負責服務器與用戶之間的數(shù)據(jù)交換;其余6 個子系統(tǒng)與綜合表現(xiàn)層的6個子模塊存在對應關(guān)系，詳細情況在模塊設計中予以介紹。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.3 數(shù)據(jù)流 　　數(shù)據(jù)來源有兩個地方，首先是閱讀器上傳的數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)資源層的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運行的基礎。數(shù)據(jù)量大，自動處理，是這部分數(shù)據(jù)的特點。另一部分由門戶網(wǎng)站產(chǎn)生。本系統(tǒng)面向管理員的唯一入口點就是門戶網(wǎng)站，從這里管理著本系統(tǒng)運行的其他所有數(shù)據(jù)，即在數(shù)據(jù)資源層中，除監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)外的所有數(shù)據(jù)都可以通過門戶網(wǎng)站管理。

　　圖2所示是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖，其中箭頭所指的方向表示數(shù)據(jù)流動的方向。

圖 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

　　3 系統(tǒng)設計

　　3.1 閱讀器布設與通信

　　有源RFID信號具有一定的穿透能力，但物體對信號的也有很明顯的遮蔽效果，為了保證定位數(shù)據(jù)有效，應允許閱讀器的覆蓋范圍比實際定位范圍稍大[9]。閱讀器靈敏度調(diào)高之后，閱讀器之間容易發(fā)生信號串擾，不應該收到信號的閱讀器可能意外收到某個標簽的信號，但根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，當一個標簽的信號同時被多個閱讀器接收時，閱讀器與標簽之間沒有遮擋的閱讀器收到信號的頻率會高于其他閱讀器。每個教室都安裝一個閱讀器，監(jiān)視上課出勤情況。危險區(qū)域，在入口處安裝一個閱讀器，監(jiān)視學童非法進入危險區(qū)域的情況。其他一些要監(jiān)視的區(qū)域也應該安裝閱讀器。

　　另一個重要的問題是監(jiān)測進出校門的閱讀器布設。最容易實現(xiàn)進出判斷的情況是在一個狹長的通道中，通道的兩頭各安裝一個閱讀器。圖3所示是典型的校門閱讀器布設圖，其中虛線圓表示閱讀器的覆蓋范圍。此時，兩個閱讀器離得很近，這會導致信號串擾非常嚴重。兩個閱讀器雖然離得很近，但是只要兩個閱讀器之間保持一定距離，這段距離會使兩個閱讀器的覆蓋范圍有明顯差異。這時，當某位學生從門外進入學校時，校門外的閱讀器就應該先收到標簽信號，進入校門后，最后一個收到信號的閱讀器就應該是校門內(nèi)的閱讀器了。

圖 3 校門閱讀器布設圖

　　為了便于后期處理，本系統(tǒng)對閱讀器布設區(qū)域和不同用途的閱讀器進行邏輯劃分。對于每個定位區(qū)域，都給予一個區(qū)域編號，如校門編號為1，某某教室編號為2。閱讀器根據(jù)用途不同分為三類：第一類，兩個閱讀器結(jié)對工作的，如校門進出判斷，需要兩個閱讀器一塊才能工作;第二類，單個閱讀器且不在危險區(qū)域的，如教室;第三類，單個閱讀器且在危險區(qū)域內(nèi)的。有了這種邏輯分類以后，后面的數(shù)據(jù)處理邏輯就會比較簡單，運算速度也會有一定提高。

　　閱讀器的通信接口選擇RS485接口。這種標準的通信接口，可通信距離超過1 000 m，半雙工通信情況下，可以將多個設備串接到同一根總線上。當連接到主機上時，要將接口轉(zhuǎn)換為RS232接口。

　　RS232接口也稱串口。閱讀器通信的參數(shù)設計如下：波特率9 600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無校驗。通信信息格式如表1所列。編碼方式采用的是ASCII碼。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫設計

　　根據(jù)本系統(tǒng)的功能設計，給出了本系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲表的設計。由功能設計的三個表所存儲的數(shù)據(jù)如表2所列。

　　3.2.1 進出記錄

　　學童的進出記錄，每次進出都會在此表中插入一條記錄。包含如表3所列的卡號、時間和進或出三個字段。

　　3.2.2實時位置

　　學童的實時位置可在表中進行數(shù)據(jù)實時刷新，包含卡號、時間和區(qū)域編號。具體如表4所列。

　　3.2.3歷史位置

　　學童的活動軌跡亦包含在卡號、時間和區(qū)域編號中。具體設計與表4所列的實時位置表雷同。

　　3.3 功能模塊設計

　　為了便于對功能劃分與管理，本系統(tǒng)采用模塊化設計。所有功能模塊都是基于業(yè)務邏輯層的，與子系統(tǒng)對應，包含獨立的功能，統(tǒng)一由門戶網(wǎng)站對外提供服務。具體的功能模塊設計如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)模塊設計圖

　　在人員信息模塊中，可查詢當前已注冊的人員信息，以及其他的屬性。添加人員功能中，除了注冊必需的信息外，還要為人員分配角色。設備管理模塊中，只有標簽的管理，沒有閱讀器的管理。閱讀器的安裝需要反復的調(diào)試，測試信號串擾和嚴重程序，而且閱讀器編號與地區(qū)編號還存在關(guān)聯(lián)，這需要經(jīng)過專業(yè)培訓的人員才能為系統(tǒng)添加閱讀器，因此門戶網(wǎng)站沒有提供這一功能。同理，也不會提供閱讀器刪除功能。在標簽管理中，新買來標簽要在此模塊中注冊，只有注冊過的標簽才會被系統(tǒng)識別。模塊中還提供標簽的啟用、停用和刪除功能。本系統(tǒng)中通知警報系統(tǒng)是用短信平臺的方式來實現(xiàn)的。短信平臺通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫指定的表來實現(xiàn)短信的收發(fā)，具體可分成三部分。被動發(fā)送負責與家長、老師之間的短信互動;定期發(fā)送負責考勤、安全信息的報告;警報信息負責即時信息的發(fā)送。在此模塊中，管理員應該可以為不同角色、不同情況定義發(fā)送信息的模板。在短信警報模塊中，可以為相關(guān)人員定制考勤信息的發(fā)送，但發(fā)送的內(nèi)容比較簡單，詳細統(tǒng)計學校考勤信息、安全信息、學童一天內(nèi)的路徑回放。

　　4 結(jié) 語

　　與傳統(tǒng)校園管理系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有自主性、全天候的特點。系統(tǒng)基于RFID技術(shù)的智能監(jiān)測手段，自動監(jiān)視無死角，主動采集并及時發(fā)布學童在校信息，保障了學童狀態(tài)的實時監(jiān)控;利用短信平臺作為通知發(fā)送和交流工具，及時跟蹤學童的同時實現(xiàn)了與家長的順暢交流，使信息真正發(fā)揮作用。因此，本系統(tǒng)在實現(xiàn)應用中有一定的參考價值。目前，本系統(tǒng)智能化程序還較低，對現(xiàn)有管理設施利用較少，如果能對RFID的定位數(shù)據(jù)做一些情景分析，或者與現(xiàn)有的管理設備對接起來，本系統(tǒng)將能發(fā)揮更大的作用。

　　參 考 文 獻

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