​基于双频RFID的“校园卫士”技防管理系统设计

引言

在“立即行动起来，给孩子们成长和学习提供一个平安和谐的社会环境”的方针指导下，各地政府的教育、公安部门在加强校园安全管理，提升监管力度等方面做了大量具体的工作。

在人防方面，有关部门在中小学生上学、放学的重点时段、路段加派警力执勤巡逻，为学校增配保安人员，进一步健全和完善校园安全保卫规章制度。

而在物防、技防方面，各地均在学校周界安装了视频监控和应急报警系统，并与公安110接警中心联网。

本系统设计研发的主要特色:一方面是将物联网产品在中小学校园场景中加以变革和创新应用，从技术防范管理角度提升中小学校园的安全管理水平;另一方面，在产品设计中着重体现RFID的低功耗、海量阅读和绿色环保等理念。

1  总体设计

地区级“校园卫士”技防管理体系一般由1个“校园卫士”管理维护中心平台、1个电信运营商短信平台和多个校园的“校园卫士”技防管理系统（下简称：校园RFID管理系统）组成。图1所示是一个地区级“校园卫士"管理系统的体系图，该校园RFID管理系统釆用近、远距离双射频RFID技术来实现持卡学生在无障碍进、出校门的自动识别、监控管理和信息发布。

校园RFID管理系统采用RFID识别技术，可将学生信息、学生家长信息和RFID相关联，再通过校园门口的阅读器进行RFID数据采集后，由后台微机服务器分析处理,然后将学生到、离校情况信息短信发送给家长和班主任老师，实现学生到校信息互动，为家长和老师通报平安。图2所示是“校园卫士”管理系统的逻辑结构。

2  技防终端硬件

校园RFID管理系统的硬件系统由双频RFID卡.RFID低频管理器、RFID高频阅读器、信号调谐器和计算机服务器等设备组成,一个校园出入通道至少需要配置两台低频管理器和一台高频阅读器。根据校园应用场景的不同，研发部门设计了2合1和1拖2两种形态的产品，并将其组装在一个如图3所示的结构箱体内。

2.1  技防终端的工作原理

低频管理器可将低频载波信号(125~132kHz)通过低频感应线圈向外发送，这样，双频RFID卡进入低频发射天线工作区域后将被激活，RFID卡发射出带有低频目标识别码和双频RFID卡目标识别码的高频加密载波信号(2.4GHz)并被高频阅读器接收天线接收，经器接收处理后，系统将提取出双目标识别码信息送至计算机，由计算机完成数据采集，RFID卡进行进出校门逻辑判断和预设的系统管理后，再及时进行短信发送和网页信息发布，从而实现自动化安全管理。图4所示是本系统技防终端的工作原理图。

2.2  双频RFID的工作流程

首先，低频管理器会连续发射125kHz〜132kHz无线电信号以唤醒在管理器区域内的双频RFID射频卡。管理器区域信号的强弱，可通过调谐器调谐。

然后，高频阅读器再经低频管理器激活的双频RFID卡向高频阅读器连续发射2.4GHz并带有卡ID和低频管理器ID的无线信号。

双频RFID射频卡闲时处于低频监听和高频休眠状态，功耗较低；当双频RFID射频卡移入低频管理器范围时，RFID高频部分开始工作，并向高频阅读器发射信息；当双频RFID卡移出低频管理器信号覆盖范围后，双频RFID卡重新进入高频休眠和低频监听状态。

2.3  双频RFID模块

本设计将双频RFID模块设计在一张名片大小的塑料卡套内，模块由低频接收电路、高频发射电路、天线及电源部分组成。两节并联的纽扣电池用于为高频2.4GHz发射电路发射电能;低频接收电路则采用线圈感应来获取工作电流。在没有125〜132kHz的环境下,高频发射电路处于断路状态，不向外发射2.4GHz信号;低频接收电路工作时，高频发射电路处于工作状态，并向外定时发送高频信号。高频发射芯片可选用挪威Nordic公司的RFC2410,该芯片具有超低功耗、短距离工作等特点。图5所示是本系统中双频RFID卡的实物示意图。

正常使用情况下，双频RFID卡中电池的使用寿命为6年左右，基本上能够保证在校学生使用一张卡完成小学或中学阶段的学业。

双频RFID卡内还可以封装1个13.56MHz的IC芯片，可实现在校学生的餐饮消费、图书借阅及乘坐城市交通工具等业务,从而实现一卡多用等功能。

2.4  低频管理器

低频管理器使用24VDC和5VDC工作电源，24VDC电源主要为低频管理器的LC天线提供电能,管理器125~132kHz发射信号的强弱可通过调谐器调节。低频管理器对双频RFID卡激活距离一般在纵向1〜3m范围内可调。低频管理器内设有64地址DIP,可以根据校园进出通道情况设置两个或多个低频管理区域，可实现对超宽校门进出通道低频信号的完整覆盖,避免产生盲区，影响识别效果。

2.5  高频阅读器

高频管理器使用5VDC工作电源，并可外接两根3.5dB全向天线。高频管理器与双频RFID卡之间的通信需在视觉可视或小于12cm绕射情况下使用，高频管理器并发阅读能力应达到200张以上。数据接收距离取决于RFID卡发射功率或高频天线的增益大小,一般出厂时设定的识别距离范围为50m。高频管理器与计算机服务器的默认接口为RS485。

3  软件功能

本管理系统软件由底层嵌入式RFID卡固件、低频管理器固件、高频阅读器固件、应用层数据釆集软件、短信发送软件、校园Web管理信息软件组成。前面部分软件用于完成RFID的信息釆集、入库、识别、加工及数据传输;校园Web管理信息软件则用于完成对学生的卡片信息管理、考勤管理、账号管理、系统维护等基本功能和家校互动、图书馆借书、餐饮消费等扩展功能。

3.1  软件流程

本系统可完成学生出入校园的识别判断,识别结果写入出入记录数据库。软件根据数据库内的学生和考勤策略信息生成考勤信息及平安短信。考勤信息被写入日统计报表，平安短信被写入短信数据库，由短信模块负责向学生家长手机发送短信。图6所示是本系统生成的学生考勤明细示意图。

3.2  出入识别流程

本系统改变了传统“校讯通（使用HF频段无源、近距离卡）”主动独占式刷卡模式为无障碍开放通道模式，当学生携卡进出学校校门时,无需主动刷卡，系统高频阅读器即可自动采集学生携带的RFID卡信息,通过后台识别分析软件自动录入学生进出校门的状态数据，提高学生进出通行速度，可解决学生上下学排长队打卡的问题。

学生进出校门时，系统釆用两台管理器和一台阅读器来判断学生进出方向，每台低频管理器各有独立的唤醒RFID的区域，并拥有共同的高频阅读区域。当RFID卡被激活并发送信息后，系统软件便根据两台低频管理器ID及釆集记录的先后顺序来分析学生进出校门的状态。如系统釆集到同一张RFID的两条信息依次是AB,即先采集到管理器A后釆集到管理器B的信息，则认为学生刚刚经历了出校/入校状态;如系统采集到的顺序为BA即先采集到管理器B后采集到管理器A的信息，则认为学生刚刚经历了入校/出校状态。数据采集软件同时对学生的状态变化做了策略处理,从而有效防止了学生进入校门后又马上出门的现象发生时,短信系统向学生家长连续发送多条短信的问题。图7给出了学生出入校门识别时，系统管理器和阅读器的工作示意图。

3.3  短信发送流程

短信报安与出入识别分析软件配合，可使学生出入校的考勤信息通过平台实时发送到家长手机上。为防止漏发或由于家长手机信号弱等问题引起的短信不能接收，短信报安模块将会尝试指定次数的重新发送,在指定次数内，若未收到正确接收的状态报告,将再次尝试发送，以帮助家长更好的掌握学生的在校情况。

短信发送采用SMGP/CMPP协议与电信运营商短信网关互相通信。短信软件可支持短信双向收发、群发、状态报告回复和状态报告査询。还可提供业务量的统计等维护管理功能。图8所示是家长手机上收到的短信示例。

4  系统特点

本系统的识别距离可根据应用环境灵活调整，并能可靠识别快速移动目标，识别速度最快可以达到80km/h。卡内有高能电池，可使用50万次,且有低电量信息提示功能（电池或可更换）。

系统具有先进的防碰撞技术,可同时识别多张不同号码的RFID射频卡，并支持多卡同时读写，识别误码率小于10^-5。

系统无对人体伤害的电磁污染，信号穿透力和绕射力强,识别区域无方向性、无盲区。

系统采用无线数据传输方式，并采用加密计算与校验算法,可防止链路窃听与数据破解，信息的安全性和保密性能高。

具有高抗干扰性，对周界环境无特殊要求。采用抗干扰和防雷设计,可满足工业环境要求，设备的维护工作量几乎为零。

系统结构简单，部署方便，建设周期短，整个系统方案易于实施，可在最短时间内完成全市学校的监控联网建设。

本系统的可扩展性较强，可实现校园校门门禁管理、校园餐饮消费、校园固定资产管理等多种功能的综合应用。

5  系统主要技术参数

5.1  技防终端参数

图9所示是本系统的技防终端实物图。该终端的输入电压为220VAC；发射频率为125〜132kHz；接收频率为2.4GHz；工作温度为一20°C〜+60°C；识别区域:激活卡的距离0.1〜20m（可调），接收卡的距离1〜50m；通讯方式为RS232,RS485、GSM/GPRS、TCP/IP；传输波特率为1200/2400/9600b/s；适用电压为220VAC50Hz；功耗小于5W；环境温度为-20°C〜+60°C；识别距离不小于9m。

5.2  双频RFID卡

系统内的双频RFID卡的接收频率为125〜132kHz；发射频率为2.4GHz；工作电压为直流2.8〜3.6V；系统电池的使用寿命为收发信号次数可达50万次;卡电路部分全树脂密封，电池部分采用防水密封;工作环境温度为一20°C〜+60°C；被激活距离为0.1〜20m（可调），发射数据距离为1〜50m；环境温度为一20°C〜+60°C；相对湿度为不大于95%。

6  典型案例

由大唐电信参与建设的国内首个大规模校园物联网应用项目，即中国电信西安分公司"校园卫士"系统已经顺利验收。“校园卫士”项目具体包含有两百多所中小学的“校园卫士”建设，是国内首个大规模校园物联网示范应用项目。系统建设包括RFID识别卡、RFID读卡器、RFID天线、分布式服务器、综合业务平台等。

使用该系统后，学生只要佩戴“校园卫士卡”进出校门，校门口上方安装的两个读卡器就会读出数据,并通过电信的系统平台将孩子进出校园的时间通过短信发到家长的手机上。此外,家长还可以通过综合平台及时收到老师发送的有关家庭作业、考试成绩、各类通知、在校表现等信息。

7  结语

RFID技术是物联网技术的重要组成部分，其应用随着不同行业领域的不断演化、扩展和延伸，技术细节也千差万别。设计者需要根据不同的具体应用环境，采用合适的RFID技术并设计。本设计通过双射频技术实现了RFID卡的唤醒与识别过程:学生佩戴的RFID卡在平时处于睡眠状态，节能、环保;只有在出入校门口时，该卡才被唤醒并发送高频信号，完成识别过程。该系统结构简单、性能安全可靠，适用于国内中小学学校环境。