物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)在數(shù)字校園管理中的應(yīng)用

摘要 IT與通信技術(shù)的發(fā)展將物聯(lián)網(wǎng)課題引出。發(fā)展以RFID技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)成為新的技術(shù)潮流。文中通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的成功案例進(jìn)行了分析，討論設(shè)計(jì)了RFID技術(shù)在數(shù)字校園管理中的一些應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用將助力校園數(shù)字化管理快速發(fā)展，提高學(xué)校管理水平。
關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字校園；RFID；一卡通

    “物聯(lián)網(wǎng)”的名稱來(lái)源于“傳感網(wǎng)”，在過(guò)去數(shù)十年中射頻、“二維碼”等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事及物流領(lǐng)域。然而，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步拓寬了“傳感網(wǎng)”的范疇，其是用各種傳感器將物理世界通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連接形成網(wǎng)絡(luò)。
    針對(duì)國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，標(biāo)準(zhǔn)化工作相對(duì)滯后等問(wèn)題，國(guó)家組織啟動(dòng)2012年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)。啟動(dòng)國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程，統(tǒng)籌推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)體系和公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，著力突破核心技術(shù)，完善產(chǎn)業(yè)鏈，為重點(diǎn)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范提供有效支撐。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可分為：識(shí)別、感知、信息處理和傳送4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為RFID、傳感器、智能芯片及電信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究
    文中通過(guò)CNKI進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)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，博士學(xué)位論文74篇，碩士學(xué)位論文695篇，會(huì)議299篇，報(bào)紙2 755篇，專利715篇，其他192篇。主要集中在信息經(jīng)濟(jì)與郵政經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電信技術(shù)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)化技術(shù)、宏觀經(jīng)濟(jì)管理與可持續(xù)發(fā)展、電力工業(yè)以及貿(mào)易經(jīng)濟(jì)等8大類。
    通過(guò)2次檢索，同物聯(lián)網(wǎng)與校園有關(guān)共89篇：期刊文章73篇，學(xué)位論文15篇，會(huì)議論文1篇。其中，2010年18篇、2011年43篇、2012年至今28篇。其中與數(shù)字校園相關(guān)的12篇，與智慧校園相關(guān)的17篇。
    可見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，相關(guān)領(lǐng)域的研究較為深入，已趨向成熟，并產(chǎn)生了產(chǎn)業(yè)鏈。目前，國(guó)內(nèi)部分高校已開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，并進(jìn)行智能傳感網(wǎng)絡(luò)的研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年國(guó)內(nèi)高校新增物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的院校共64所，其中物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)56所，“傳感網(wǎng)”技術(shù)6所，智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)2所。為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字校園建設(shè)中還未得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)研究不夠深入，基本處于設(shè)想或探索研究層面，而涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化校園中應(yīng)用的具體案例文章較少。文中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)數(shù)字校園中“一卡通”的應(yīng)用管理進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 需求分析
    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高等院校根據(jù)自身需求，相繼采用信息技術(shù)以加強(qiáng)管理。校園“一卡通”已成為高等院校發(fā)展的普通選擇。校園“一卡通”、數(shù)字化校園和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展。“一卡通”的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是為了通過(guò)共同的身份認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的集成與共享，其主要實(shí)現(xiàn)的管理功能是：后勤綜合管理系統(tǒng)、考勤管理系統(tǒng)、上機(jī)管理系統(tǒng)、圖書(shū)館管理系統(tǒng)以及門禁管理系統(tǒng)。結(jié)合其使用情況，針對(duì)數(shù)字校園管理中存在的問(wèn)題，采用非接觸RFID電子標(biāo)簽的感應(yīng)卡實(shí)現(xiàn)“一卡通”管理，且性價(jià)比高，針對(duì)“一卡通”中的典型應(yīng)用提出以下幾種應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，常用設(shè)備需求如圖1～圖3所示。

3 RFID技術(shù)典型應(yīng)用案例設(shè)計(jì)
3．1 RFID會(huì)議無(wú)障礙身份識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    大型會(huì)議的組織管理工作復(fù)雜，會(huì)議組織管理工作的一個(gè)重要問(wèn)題就是對(duì)參會(huì)人員進(jìn)行有效的識(shí)別和統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)的會(huì)議管理方法，將導(dǎo)致參會(huì)代表等候時(shí)間長(zhǎng)、排隊(duì)簽到等現(xiàn)象，特別是人員簽到較為集中時(shí)，問(wèn)題較為嚴(yán)重。目前會(huì)議簽到和識(shí)別普遍采用手工紙筆簽到、人工核對(duì)證件和刷卡等手段。這些方式存在以下問(wèn)題：紙筆簽到易造成大面積擁堵，且有冒簽、代簽等現(xiàn)象，無(wú)法保證正確的參會(huì)數(shù)據(jù)；人工核對(duì)證件效率低，無(wú)法保證準(zhǔn)確度，且不便于統(tǒng)計(jì)。刷卡需要參會(huì)代表到指定地點(diǎn)出示證件并排隊(duì)刷卡，欠缺人性化。結(jié)合會(huì)議組織工作的需要，較為理想的簽到和識(shí)別方案需具備以下特點(diǎn)：防偽特性(代表證不可偽造)、無(wú)需固定地點(diǎn)刷卡(參會(huì)者只需通過(guò)會(huì)場(chǎng)即可)、輔助人像識(shí)別(可判斷持卡者是否為本人)并且能夠?qū)β┳x情況進(jìn)行報(bào)警。
    設(shè)計(jì)方案以遠(yuǎn)距離識(shí)別RFID電子標(biāo)簽技術(shù)為核心，輔以數(shù)碼攝像和紅外感應(yīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，RFID會(huì)議無(wú)障礙身份識(shí)別系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    由圖4可見(jiàn)，當(dāng)參會(huì)者佩戴帶電子標(biāo)簽感應(yīng)卡，經(jīng)過(guò)RFID感應(yīng)裝置組成的通道時(shí)，會(huì)發(fā)生射頻和紅外感應(yīng)。射頻感應(yīng)信息即為參會(huì)證件信息，經(jīng)主機(jī)判斷證件的有效性；只需人員通過(guò)便會(huì)發(fā)生紅外感應(yīng)，系統(tǒng)則啟動(dòng)攝像頭抓拍其面部圖片。如證件有效，主機(jī)將調(diào)出參會(huì)者照片及原始資料，并由管理人員核對(duì)圖像。整個(gè)過(guò)程精確聯(lián)動(dòng)、高效、便捷。
    從圖5可看出，正常的通過(guò)過(guò)程，會(huì)兩次進(jìn)入射頻識(shí)別區(qū)域，并且兩次切割紅外線，這可以最大限度地避免盲讀情況，兩次切割紅外線還可判斷參會(huì)人員是進(jìn)入或離開(kāi)的作用。當(dāng)然，設(shè)置紅外線識(shí)別的首要目的是在射頻識(shí)別后進(jìn)行身份警示。
3．2 無(wú)障礙快速通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    高校圖書(shū)館的門禁系統(tǒng)多采用通道機(jī)設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過(guò)程中易發(fā)生機(jī)械故障，導(dǎo)致有證人員無(wú)法正常通行、無(wú)證人員尾隨鉆門等現(xiàn)象。采用無(wú)障礙快速通道來(lái)實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出管制，是目前較為先進(jìn)的管理方式。應(yīng)用目標(biāo)是在圖書(shū)館管理體系中建立一條基于RFID技術(shù)的快速通道，實(shí)現(xiàn)高效管理的人員門禁自動(dòng)登錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)沒(méi)有物理障礙，方便人員快速通行，無(wú)需刷卡便可實(shí)現(xiàn)，對(duì)無(wú)證人員的進(jìn)入發(fā)出警報(bào)。如需要也可通過(guò)攝像機(jī)抓拍面部特征，與教務(wù)系統(tǒng)的讀者照片庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)人性化管理。該系統(tǒng)由感應(yīng)裝置、讀卡器、天線和通訊模塊組成，方案示意圖如圖6所示。

    設(shè)計(jì)利用紅外光束來(lái)檢測(cè)人員通過(guò)和運(yùn)動(dòng)方向。在經(jīng)過(guò)通道處分別埋設(shè)兩個(gè)天線，稱為A天線和B天線。(1)當(dāng)攜帶感應(yīng)卡的人員靠近A天線時(shí)，A天線讀取感應(yīng)卡但不作任何輸出。(2)當(dāng)感應(yīng)卡從A天線到B天線時(shí)，則說(shuō)明人員是按照進(jìn)入(Entrance)的方向行走，這個(gè)過(guò)程中，感應(yīng)卡前后被A天線和B天線讀取，當(dāng)感應(yīng)卡被B天線讀取時(shí)，讀卡器在A通道輸出信號(hào)，代表“進(jìn)入信號(hào)”。(3)如果緊接著感應(yīng)卡又從B天線返回A天線，則說(shuō)明人員向出口方向行走，此時(shí)當(dāng)感應(yīng)卡返回A天線處時(shí)，讀卡器則在日通道輸出信號(hào)，代表“出信號(hào)”，通過(guò)進(jìn)出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)，可幫助管理員在閉館時(shí)清查人員。
3．3 開(kāi)放有源RFID識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    教師上課對(duì)學(xué)生考勤尤為困難。通常教師需占用課堂時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)名考勤，并進(jìn)行紙筆統(tǒng)計(jì)，且經(jīng)常遇見(jiàn)冒名頂替等情況。
    家長(zhǎng)與學(xué)校有溝通需求，校訊通、家校通等系統(tǒng)的出現(xiàn)為學(xué)校和家長(zhǎng)之間的溝通提供了有效手段。但大部分系統(tǒng)仍不完善，需進(jìn)行人工干預(yù)。利用2．4 GHz有源RFID技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)2．4 GHz無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、RFID卡為家長(zhǎng)提供學(xué)生在校生活、學(xué)習(xí)等信息的溝通平臺(tái)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能為：(1)學(xué)生出入校園，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)短信通知家長(zhǎng)。(2)學(xué)生在校路徑追溯，可記錄學(xué)生在校行動(dòng)軌跡。(3)自動(dòng)考勤系統(tǒng)，無(wú)需刷卡便可自動(dòng)記錄。
    RFID讀卡器分別安裝在學(xué)校門口、樓梯處以及教室門口，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)時(shí)定位識(shí)別。所有讀卡器連接組成一個(gè)總線型網(wǎng)絡(luò)連接至控制器。通過(guò)對(duì)學(xué)生采集到的原始數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的考勤情況。每堂課的考勤情況會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送到教師的手機(jī)上方便核對(duì)。在期末的統(tǒng)計(jì)工作中，教務(wù)管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每位學(xué)生的出勤率，從而解決教師考勤難的問(wèn)題。

3．4 遠(yuǎn)距離車輛識(shí)別與車牌識(shí)別系統(tǒng)
    車輛進(jìn)出的傳統(tǒng)管理方式是發(fā)放通行證，人工驗(yàn)證之后遙控放行。該方法速度慢，易出現(xiàn)擁堵等情況。人工自行刷卡、自動(dòng)升桿，在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)出現(xiàn)忘帶磁卡、磁卡無(wú)電等情況，導(dǎo)致駕駛員必須通過(guò)與管理員進(jìn)行交涉，因此放行速度更慢。
    射頻識(shí)別(RFID)電子標(biāo)簽作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的新技術(shù)，作為傳統(tǒng)車輛管理方法的升級(jí)和補(bǔ)充，滿足了當(dāng)今車輛管理要求。車輛電子標(biāo)簽安裝在車輛的擋風(fēng)玻璃或校園“一卡通”上，在車輛通道或停車場(chǎng)出入口安裝RFID讀寫器。在正常工作時(shí)，當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，讀寫器將發(fā)出提示音，標(biāo)明自動(dòng)識(shí)別成功，讀寫器將讀取的信息傳輸?shù)匠鋈肟诳刂茩C(jī)的微處理器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車輛信息的采集和臨時(shí)車輛的繳費(fèi)，并通過(guò)控制道閘等設(shè)備完成通道控制。
    RFID系統(tǒng)是利用感應(yīng)、無(wú)線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)信息獲取和數(shù)據(jù)交換的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。讀寫器通過(guò)天線向電子標(biāo)簽發(fā)出微波查詢信號(hào)，電子標(biāo)簽被其微波能量激活，接受到微波信號(hào)后應(yīng)答并發(fā)出帶有車輛數(shù)據(jù)信息的回波信號(hào)。讀寫器接收到RFID車輛電子標(biāo)簽信號(hào)后，由其中的解碼器解析出與車輛相關(guān)的信息，從而建立讀寫器與RFID電子標(biāo)簽的通訊聯(lián)系，解析出的車輛信息再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)識(shí)別的目的，如圖9所示。針對(duì)外來(lái)車輛，通過(guò)攝像頭進(jìn)行車牌掃描照相存檔，建立臨時(shí)車輛信息數(shù)據(jù)，離開(kāi)時(shí)作為繳費(fèi)憑證。

4 結(jié)束語(yǔ)
    數(shù)字校園的信息化程度和建設(shè)，是衡量學(xué)校的管理水平、科研應(yīng)用等綜合能力的重要指標(biāo)，是體現(xiàn)學(xué)校核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素，因此數(shù)字智慧校園已成為校園管理發(fā)展的趨勢(shì)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以積極地推動(dòng)智能數(shù)字校園系統(tǒng)的發(fā)展，能夠有效解決傳統(tǒng)校園建設(shè)中所遇到的困難，從而為廣大師生的日常學(xué)習(xí)和生活提供更為高效、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。