物联网RFID技术在数字校园管理中的应用

摘要 IT与通信技术的发展将物联网课题引出。发展以RFID技术为核心的物联网成为新的技术潮流。文中通过调查统计，对物联网的成功案例进行了分析，讨论设计了RFID技术在数字校园管理中的一些应用。物联网产品的应用将助力校园数字化管理快速发展，提高学校管理水平。
关键词 物联网；数字校园；RFID；一卡通

    “物联网”的名称来源于“传感网”，在过去数十年中射频、“二维码”等技术被广泛应用于军事及物流领域。然而，物联网进一步拓宽了“传感网”的范畴，其是用各种传感器将物理世界通过互联网相连接形成网络。
    针对国内物联网产业基础和关键环节相对薄弱，标准化工作相对滞后等问题，国家组织启动2012年物联网技术研发及产业化专项。启动国家物联网应用示范工程，统筹推进物联网关键技术研发及产业化、标准体系和公共服务平台建设，着力突破核心技术，完善产业链，为重点领域物联网应用示范提供有效支撑。物联网产业链可分为：识别、感知、信息处理和传送4个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片及电信运营商的无线传输网络。

1 物联网技术相关研究
    文中通过CNKI进行文献检索，关于物联网有11 931篇，其中2009年之前81篇、2009年518篇、2010年3 951篇、2011年5 574篇、2012年至今1 807篇。其中期刊7 201篇，博士学位论文74篇，硕士学位论文695篇，会议299篇，报纸2 755篇，专利715篇，其他192篇。主要集中在信息经济与邮政经济、计算机软件及计算机应用、电信技术、工业经济、自动化技术、宏观经济管理与可持续发展、电力工业以及贸易经济等8大类。
    通过2次检索，同物联网与校园有关共89篇：期刊文章73篇，学位论文15篇，会议论文1篇。其中，2010年18篇、2011年43篇、2012年至今28篇。其中与数字校园相关的12篇，与智慧校园相关的17篇。
    可见，物联网在其他领域的应用广泛，相关领域的研究较为深入，已趋向成熟，并产生了产业链。目前，国内部分高校已开设物联网专业，并进行智能传感网络的研究。据统计，2011年国内高校新增物联网工程专业的院校共64所，其中物联网工程专业56所，“传感网”技术6所，智能电网信息工程专业2所。为物联网技术进一步发展奠定了基础，但物联网技术在数字校园建设中还未得到广泛应用，同时研究不够深入，基本处于设想或探索研究层面，而涉及物联网技术在数字化校园中应用的具体案例文章较少。文中对物联网RFID技术进行了研究，同时对数字校园中“一卡通”的应用管理进行了设计。

2 需求分析
    随着信息技术的发展，高等院校根据自身需求，相继采用信息技术以加强管理。校园“一卡通”已成为高等院校发展的普通选择。校园“一卡通”、数字化校园和网络信息技术应用的相关产业正在迅速发展。“一卡通”的实现目标是为了通过共同的身份认证机制，实现数据管理的集成与共享，其主要实现的管理功能是：后勤综合管理系统、考勤管理系统、上机管理系统、图书馆管理系统以及门禁管理系统。结合其使用情况，针对数字校园管理中存在的问题，采用非接触RFID电子标签的感应卡实现“一卡通”管理，且性价比高，针对“一卡通”中的典型应用提出以下几种应用设计方案，常用设备需求如图1～图3所示。

3 RFID技术典型应用案例设计
3．1 RFID会议无障碍身份识别系统设计
    大型会议的组织管理工作复杂，会议组织管理工作的一个重要问题就是对参会人员进行有效的识别和统计。传统的会议管理方法，将导致参会代表等候时间长、排队签到等现象，特别是人员签到较为集中时，问题较为严重。目前会议签到和识别普遍采用手工纸笔签到、人工核对证件和刷卡等手段。这些方式存在以下问题：纸笔签到易造成大面积拥堵，且有冒签、代签等现象，无法保证正确的参会数据；人工核对证件效率低，无法保证准确度，且不便于统计。刷卡需要参会代表到指定地点出示证件并排队刷卡，欠缺人性化。结合会议组织工作的需要，较为理想的签到和识别方案需具备以下特点：防伪特性(代表证不可伪造)、无需固定地点刷卡(参会者只需通过会场即可)、辅助人像识别(可判断持卡者是否为本人)并且能够对漏读情况进行报警。
    设计方案以远距离识别RFID电子标签技术为核心，辅以数码摄像和红外感应技术来实现其功能，RFID会议无障碍身份识别系统的主要结构如图5所示。

    由图4可见，当参会者佩戴带电子标签感应卡，经过RFID感应装置组成的通道时，会发生射频和红外感应。射频感应信息即为参会证件信息，经主机判断证件的有效性；只需人员通过便会发生红外感应，系统则启动摄像头抓拍其面部图片。如证件有效，主机将调出参会者照片及原始资料，并由管理人员核对图像。整个过程精确联动、高效、便捷。
    从图5可看出，正常的通过过程，会两次进入射频识别区域，并且两次切割红外线，这可以最大限度地避免盲读情况，两次切割红外线还可判断参会人员是进入或离开的作用。当然，设置红外线识别的首要目的是在射频识别后进行身份警示。
3．2 无障碍快速通道系统设计
    高校图书馆的门禁系统多采用通道机设计，在实际使用过程中易发生机械故障，导致有证人员无法正常通行、无证人员尾随钻门等现象。采用无障碍快速通道来实现人员进出管制，是目前较为先进的管理方式。应用目标是在图书馆管理体系中建立一条基于RFID技术的快速通道，实现高效管理的人员门禁自动登录系统。该系统没有物理障碍，方便人员快速通行，无需刷卡便可实现，对无证人员的进入发出警报。如需要也可通过摄像机抓拍面部特征，与教务系统的读者照片库进行比对，实现了科学人性化管理。该系统由感应装置、读卡器、天线和通讯模块组成，方案示意图如图6所示。

    设计利用红外光束来检测人员通过和运动方向。在经过通道处分别埋设两个天线，称为A天线和B天线。(1)当携带感应卡的人员靠近A天线时，A天线读取感应卡但不作任何输出。(2)当感应卡从A天线到B天线时，则说明人员是按照进入(Entrance)的方向行走，这个过程中，感应卡前后被A天线和B天线读取，当感应卡被B天线读取时，读卡器在A通道输出信号，代表“进入信号”。(3)如果紧接着感应卡又从B天线返回A天线，则说明人员向出口方向行走，此时当感应卡返回A天线处时，读卡器则在日通道输出信号，代表“出信号”，通过进出信号的统计，可帮助管理员在闭馆时清查人员。
3．3 开放有源RFID识别系统设计
    教师上课对学生考勤尤为困难。通常教师需占用课堂时间进行点名考勤，并进行纸笔统计，且经常遇见冒名顶替等情况。
    家长与学校有沟通需求，校讯通、家校通等系统的出现为学校和家长之间的沟通提供了有效手段。但大部分系统仍不完善，需进行人工干预。利用2．4 GHz有源RFID技术、计算机技术和无线通信技术相结合，通过2．4 GHz无线射频识别系统、互联网、通信技术、RFID卡为家长提供学生在校生活、学习等信息的沟通平台。其主要实现的功能为：(1)学生出入校园，系统将实时短信通知家长。(2)学生在校路径追溯，可记录学生在校行动轨迹。(3)自动考勤系统，无需刷卡便可自动记录。
    RFID读卡器分别安装在学校门口、楼梯处以及教室门口，实现对学生实时定位识别。所有读卡器连接组成一个总线型网络连接至控制器。通过对学生采集到的原始数据，分析学生的考勤情况。每堂课的考勤情况会实时发送到教师的手机上方便核对。在期末的统计工作中，教务管理系统会自动统计出每位学生的出勤率，从而解决教师考勤难的问题。

3．4 远距离车辆识别与车牌识别系统
    车辆进出的传统管理方式是发放通行证，人工验证之后遥控放行。该方法速度慢，易出现拥堵等情况。人工自行刷卡、自动升杆，在实际运用中会出现忘带磁卡、磁卡无电等情况，导致驾驶员必须通过与管理员进行交涉，因此放行速度更慢。
    射频识别(RFID)电子标签作为快速、实时、准确采集与处理信息的新技术，作为传统车辆管理方法的升级和补充，满足了当今车辆管理要求。车辆电子标签安装在车辆的挡风玻璃或校园“一卡通”上，在车辆通道或停车场出入口安装RFID读写器。在正常工作时，当车辆通过时，读写器将发出提示音，标明自动识别成功，读写器将读取的信息传输到出入口控制机的微处理器内，实现车辆信息的采集和临时车辆的缴费，并通过控制道闸等设备完成通道控制。
    RFID系统是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信，实现信息获取和数据交换的自动识别技术。读写器通过天线向电子标签发出微波查询信号，电子标签被其微波能量激活，接受到微波信号后应答并发出带有车辆数据信息的回波信号。读写器接收到RFID车辆电子标签信号后，由其中的解码器解析出与车辆相关的信息，从而建立读写器与RFID电子标签的通讯联系，解析出的车辆信息再通过计算机处理，实现车辆自动识别的目的，如图9所示。针对外来车辆，通过摄像头进行车牌扫描照相存档，建立临时车辆信息数据，离开时作为缴费凭证。

4 结束语
    数字校园的信息化程度和建设，是衡量学校的管理水平、科研应用等综合能力的重要指标，是体现学校核心竞争力的重要因素，因此数字智慧校园已成为校园管理发展的趋势。应用物联网技术可以积极地推动智能数字校园系统的发展，能够有效解决传统校园建设中所遇到的困难，从而为广大师生的日常学习和生活提供更为高效、优质的服务。