基于射频识别技术的大规模平安校园应用系统

一段时间以来，校园安全引起了政府部门的高度重视，各地相继设计建设了一些平安校园应用系统,使家长和老师能及时掌握学生进出校情况。这种平安校园系统可作为对学生安全和迟到、旷课行为进行监护的有效手段。

本文以作者参与设计的西安平安校园系统为背景,对基于物联网的平安校园系统的结构原理和关键技术进行了介绍和分析。该系统采用先进的远距离射频识别、互联网、移动通信和自动控制等技术，可覆盖西安市所有区县并拥有500多个子系统以及几十万张射频卡和手机用户，是物联网在国内大规模应用的一个具体实例。

1  总体结构与工作过程

西安平安校园系统的原理示意图如图1所示。该系统按信息传递路径，自下而上依次为感知层、校级信息处理层、网络层、短信发布层以及综合业务管理平台。每所学校一台校级服务器，各自通过互联网VPN连接短信网关和综合业务管理平台。

本校园平安系统的工作过程是：当佩带有唯一号码射频卡的学生进出校门时，安装在校门通道的读卡器就会检测到射频卡的卡号等信息，校级服务器将对读卡器送来的信息按一定规则进行处理，以判断学生进出，并根据卡号提取家长手机号码，向短信网关发送该学生几点几分进出学校的信息，再由短信网关向学生家长发送手机短信。

2  射频识别技术及平安校园系统的特点

射频识别技术是一种利用射频信号并通过交变电磁场空间耦合来实现无接触信息传递，并通过所传递的信息来进行识别的新技术，系统使用低频、高频、超高频等几个频段，其基本组成包括射频卡（电子标签）、读卡器/天线、信息处理器等。读写器/天线可接收来自射频卡的信号并由信息处理器针对不同的设定做出相应的处理和控制。

射频识别技术的最大优点是其非接触性,该特点适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体;其次，可同时识别多个射频卡;第三，可以实现高速读写。这三个特点决定了射频识别技术非常适合学生进出校门的识别。因为中小学学生进出校门的特点是上学、放学时间有大量学生集中通过校门，每个人主动去刷卡是不可行的。

3  进出校门识别

3.1  识别原理

对学生进出校门的识别主要利用校门通道的概念。校门内外一片学生进出必经的区域一般是一个矩形，可以将这个矩形区域称为校门通道。在校门通道内、外两侧安装读卡器/天线B和A,可分别覆盖校门通道内、外侧，但不能产生重叠，图2所示是学生进出校门的识别原理，这样，通过检测射频卡在校门通道外侧和内侧出现的时间先后，就可以判断学生是进入还是离开学校。

判断学生进出校门的基本规则如下：

(1)当A接收到有效信号后,B才接收到有效信号，系统判断为进门；

(2) 当B接收到有效信号后,A才接收到有效信号，则判断为出门；

(3) A、B在其覆盖范围内多次读到卡号,才认为是有效信号。

这个规则可解决理想状况下的进出校门的识别,但还需要对多种异常情况进行处理，具体如下：

(1) 当学生携卡在A范围活动，而不进入B范围时，系统可以不作进出判断；

(2) 当学生携卡在A和B之间的混合区逗留时，不作进出判断；

(3) 当学生携卡在A和B之间的混合区离开,又回到A时，取消进校机制检测，不作进出判断；

(4) 学生携带卡作进出判断，当其进入到只有B的检测范围时，判断为学生进校。

3.2  扁平型校门通道的处理

实际上，有的校门通道宽度小而深长(称为狭长型通道)，有的校门很宽且内外都是开阔区域(称为扁平型通道)，有的则介于两者之间。狭长型通道因通道内外两侧距离远,可采用2.4GHzRFID单频点定向天线，通过调整天线功率和接收信号阈值,可以较容易地实现A、B覆盖范围不重叠。

但对于扁平型通道，要使A、B天线覆盖范围不重叠则困难较多。西安平安校园系统采用双频点复合频率技术，发射频率132kHz、接收频率2400~2500MHz/315MHz,以地埋感应线圈作为发射天线，可以有效解决这一困难。

双频点复合技术的具体实现方法如图3所示，在学校的校门内侧和外侧地面20mm下分别埋设一个与读卡器相连的感应线圈，线圈长度覆盖校门通道的宽度。工作时，当射频卡接近线圈时,线圈发出的低频信号激活射频卡，然后射频卡再发出超高频信号被读卡器的超高频天线接收。这样，通过调整地埋线圈的信号强度，就可以实现内外侧低频信号覆盖范围的不重叠。

3.3  射频卡

学生携带的是2.4GHz有源主动式射频卡，可通过卡里面的电池供电，电池的寿命一般是2〜3年。有源卡激活后，可以不断主动向外发出无线信号（1秒钟发送3次，其发送功率可以根据用户要求进行调整），并且能够传很远的距离。该无线信号是有编码的，每个卡有唯一的编码。

4  系统性能测试

性能测试是对系统是能否达到设计指标的检验。平安校园系统的性能测试主要包括对识别准确率、系统容量、系统稳定性等指标的测试，只有这些指标都达到要求，系统才能实际投入使用。

4.1  识别准确率

识别准确率是指系统中的有效射频卡在一定并发射频卡数量和通过速度的前提下，能正确识别出的卡数量占全部通过的卡数量的比率。实际测试中，可采用一张木板上平铺50张或100张射频卡，以不同速度多次进出校门，然后在短信发送接口统计正确识别出的卡数量。

试验中，射频卡经过校门的速度模拟了学生各种情况下通过校门的速度,而并发射频卡数量则比学生密集进出（列队）时的数量更多。同样的试验进行5次以上取平均数,并对每个学校进行单独测试。目前,能够达到的识别准确率如表1所列。事实上，对于单个射频卡，在可能的通过速度下（快走、慢走和跑步），识别准确率均能达到100%。

4.2  系统容量

系统容量是指在一定通过速度和准确率前提下,系统所能支持的学生数量。相比于识别准确率，系统容量是一个更为综合的指标，它不仅与传感系统的响应速度相关，与学生进出学校的并发和速度特征有关,而且与校级服务器的处理速度及短信存储转发能力有关。由于直接的测试不易实现，因此，该指标的测试只能依靠对服务器系统的压力测试和对在现有学校实际运行效果进行的评估。

本系统的压力测试结果是在半小时内（一个正常的上学或放学时间段），校级服务器及短信接口能够支持超过5000张射频卡通过校门。而从已实际投入运行的学校来看，学生数量少则近千名，最多有3000多名，识别准确率都能够达到要求。

4.3  系统稳定性

系统稳定性指整个系统无障碍运行时间所占整个时间的比率，它是一个综合指标，涉及到系统各个环节的可靠性。目前，西安平安校园系统经过初期对天线系统、供电系统、数据库和业务系统以及网络系统的多次优化，系统系统性已经可以达到99.8%以上，而且更趋于平稳。

5  组网与综合业务管理平台

西安平安校园系统可以覆盖西安市城区和所有郊县，根据对网络带宽和安全性需求及对成本的综合考虑,500多所学校的网络上联采用VPN方式，可在各校原有上网专线上，叠加一个专有IP网段,并采用IPSec加密。短信网关和综合业务管理平台则通过光纤专线方式的专用通道接入网络。

综合业务管理平台是为西安平安校园系统进行学校和班级管理、学生资料录入与修改、群发短信编辑以及网络系统网管提供支撑的远程集中管理平台。平台采用中间件技术并带有与短信网关、校级服务器的接口，可为学校老师、业务受理人员、网络与系统管理人员提供基于Web的操作界面。

6  结语

西安平安校园系统有两个突出的特点，一是以一对射频读卡器（包括天线）和一个服务器共同组成一个具备学生进出校门识别功能的基本单元，这是一种复杂形态的射频识别节点;二是以各校子系统为单位，通过集中平台和VPN技术实现系统的大规模平滑扩展。

随着网络和产品的进一步发展，该系统应存在很大的改进空间，可以以更小、更高效且具备相当数据库支持能力的嵌入式设备代替目前的校级服务器，以使其通过具有更大带宽的3G或4G移动技术替代目前的有线方式进行广域组网，同时也可采用更高准确性、更低功耗的射频设备等。