基于射頻識別技術(shù)的大規(guī)模平安校園應(yīng)用系統(tǒng)

一段時間以來，校園安全引起了政府部門的高度重視，各地相繼設(shè)計建設(shè)了一些平安校園應(yīng)用系統(tǒng),使家長和老師能及時掌握學(xué)生進(jìn)出校情況。這種平安校園系統(tǒng)可作為對學(xué)生安全和遲到、曠課行為進(jìn)行監(jiān)護(hù)的有效手段。

本文以作者參與設(shè)計的西安平安校園系統(tǒng)為背景,對基于物聯(lián)網(wǎng)的平安校園系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的遠(yuǎn)距離射頻識別、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和自動控制等技術(shù)，可覆蓋西安市所有區(qū)縣并擁有500多個子系統(tǒng)以及幾十萬張射頻卡和手機(jī)用戶，是物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的一個具體實(shí)例。

1  總體結(jié)構(gòu)與工作過程

西安平安校園系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)按信息傳遞路徑，自下而上依次為感知層、校級信息處理層、網(wǎng)絡(luò)層、短信發(fā)布層以及綜合業(yè)務(wù)管理平臺。每所學(xué)校一臺校級服務(wù)器，各自通過互聯(lián)網(wǎng)VPN連接短信網(wǎng)關(guān)和綜合業(yè)務(wù)管理平臺。

本校園平安系統(tǒng)的工作過程是：當(dāng)佩帶有唯一號碼射頻卡的學(xué)生進(jìn)出校門時，安裝在校門通道的讀卡器就會檢測到射頻卡的卡號等信息，校級服務(wù)器將對讀卡器送來的信息按一定規(guī)則進(jìn)行處理，以判斷學(xué)生進(jìn)出，并根據(jù)卡號提取家長手機(jī)號碼，向短信網(wǎng)關(guān)發(fā)送該學(xué)生幾點(diǎn)幾分進(jìn)出學(xué)校的信息，再由短信網(wǎng)關(guān)向?qū)W生家長發(fā)送手機(jī)短信。

2  射頻識別技術(shù)及平安校園系統(tǒng)的特點(diǎn)

射頻識別技術(shù)是一種利用射頻信號并通過交變電磁場空間耦合來實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息來進(jìn)行識別的新技術(shù)，系統(tǒng)使用低頻、高頻、超高頻等幾個頻段，其基本組成包括射頻卡（電子標(biāo)簽）、讀卡器/天線、信息處理器等。讀寫器/天線可接收來自射頻卡的信號并由信息處理器針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制。

射頻識別技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是其非接觸性,該特點(diǎn)適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體;其次，可同時識別多個射頻卡;第三，可以實(shí)現(xiàn)高速讀寫。這三個特點(diǎn)決定了射頻識別技術(shù)非常適合學(xué)生進(jìn)出校門的識別。因?yàn)橹行W(xué)學(xué)生進(jìn)出校門的特點(diǎn)是上學(xué)、放學(xué)時間有大量學(xué)生集中通過校門，每個人主動去刷卡是不可行的。

3  進(jìn)出校門識別

3.1  識別原理

對學(xué)生進(jìn)出校門的識別主要利用校門通道的概念。校門內(nèi)外一片學(xué)生進(jìn)出必經(jīng)的區(qū)域一般是一個矩形，可以將這個矩形區(qū)域稱為校門通道。在校門通道內(nèi)、外兩側(cè)安裝讀卡器/天線B和A,可分別覆蓋校門通道內(nèi)、外側(cè)，但不能產(chǎn)生重疊，圖2所示是學(xué)生進(jìn)出校門的識別原理，這樣，通過檢測射頻卡在校門通道外側(cè)和內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的時間先后，就可以判斷學(xué)生是進(jìn)入還是離開學(xué)校。

判斷學(xué)生進(jìn)出校門的基本規(guī)則如下：

(1)當(dāng)A接收到有效信號后,B才接收到有效信號，系統(tǒng)判斷為進(jìn)門；

(2) 當(dāng)B接收到有效信號后,A才接收到有效信號，則判斷為出門；

(3) A、B在其覆蓋范圍內(nèi)多次讀到卡號,才認(rèn)為是有效信號。

這個規(guī)則可解決理想狀況下的進(jìn)出校門的識別,但還需要對多種異常情況進(jìn)行處理，具體如下：

(1) 當(dāng)學(xué)生攜卡在A范圍活動，而不進(jìn)入B范圍時，系統(tǒng)可以不作進(jìn)出判斷；

(2) 當(dāng)學(xué)生攜卡在A和B之間的混合區(qū)逗留時，不作進(jìn)出判斷；

(3) 當(dāng)學(xué)生攜卡在A和B之間的混合區(qū)離開,又回到A時，取消進(jìn)校機(jī)制檢測，不作進(jìn)出判斷；

(4) 學(xué)生攜帶卡作進(jìn)出判斷，當(dāng)其進(jìn)入到只有B的檢測范圍時，判斷為學(xué)生進(jìn)校。

3.2  扁平型校門通道的處理

實(shí)際上，有的校門通道寬度小而深長(稱為狹長型通道)，有的校門很寬且內(nèi)外都是開闊區(qū)域(稱為扁平型通道)，有的則介于兩者之間。狹長型通道因通道內(nèi)外兩側(cè)距離遠(yuǎn),可采用2.4GHzRFID單頻點(diǎn)定向天線，通過調(diào)整天線功率和接收信號閾值,可以較容易地實(shí)現(xiàn)A、B覆蓋范圍不重疊。

但對于扁平型通道，要使A、B天線覆蓋范圍不重疊則困難較多。西安平安校園系統(tǒng)采用雙頻點(diǎn)復(fù)合頻率技術(shù)，發(fā)射頻率132kHz、接收頻率2400~2500MHz/315MHz,以地埋感應(yīng)線圈作為發(fā)射天線，可以有效解決這一困難。

雙頻點(diǎn)復(fù)合技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，在學(xué)校的校門內(nèi)側(cè)和外側(cè)地面20mm下分別埋設(shè)一個與讀卡器相連的感應(yīng)線圈，線圈長度覆蓋校門通道的寬度。工作時，當(dāng)射頻卡接近線圈時,線圈發(fā)出的低頻信號激活射頻卡，然后射頻卡再發(fā)出超高頻信號被讀卡器的超高頻天線接收。這樣，通過調(diào)整地埋線圈的信號強(qiáng)度，就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)低頻信號覆蓋范圍的不重疊。

3.3  射頻卡

學(xué)生攜帶的是2.4GHz有源主動式射頻卡，可通過卡里面的電池供電，電池的壽命一般是2?3年。有源卡激活后，可以不斷主動向外發(fā)出無線信號（1秒鐘發(fā)送3次，其發(fā)送功率可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)整），并且能夠傳很遠(yuǎn)的距離。該無線信號是有編碼的，每個卡有唯一的編碼。

4  系統(tǒng)性能測試

性能測試是對系統(tǒng)是能否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的檢驗(yàn)。平安校園系統(tǒng)的性能測試主要包括對識別準(zhǔn)確率、系統(tǒng)容量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等指標(biāo)的測試，只有這些指標(biāo)都達(dá)到要求，系統(tǒng)才能實(shí)際投入使用。

4.1  識別準(zhǔn)確率

識別準(zhǔn)確率是指系統(tǒng)中的有效射頻卡在一定并發(fā)射頻卡數(shù)量和通過速度的前提下，能正確識別出的卡數(shù)量占全部通過的卡數(shù)量的比率。實(shí)際測試中，可采用一張木板上平鋪50張或100張射頻卡，以不同速度多次進(jìn)出校門，然后在短信發(fā)送接口統(tǒng)計正確識別出的卡數(shù)量。

試驗(yàn)中，射頻卡經(jīng)過校門的速度模擬了學(xué)生各種情況下通過校門的速度,而并發(fā)射頻卡數(shù)量則比學(xué)生密集進(jìn)出（列隊）時的數(shù)量更多。同樣的試驗(yàn)進(jìn)行5次以上取平均數(shù),并對每個學(xué)校進(jìn)行單獨(dú)測試。目前,能夠達(dá)到的識別準(zhǔn)確率如表1所列。事實(shí)上，對于單個射頻卡，在可能的通過速度下（快走、慢走和跑步），識別準(zhǔn)確率均能達(dá)到100%。

4.2  系統(tǒng)容量

系統(tǒng)容量是指在一定通過速度和準(zhǔn)確率前提下,系統(tǒng)所能支持的學(xué)生數(shù)量。相比于識別準(zhǔn)確率，系統(tǒng)容量是一個更為綜合的指標(biāo)，它不僅與傳感系統(tǒng)的響應(yīng)速度相關(guān)，與學(xué)生進(jìn)出學(xué)校的并發(fā)和速度特征有關(guān),而且與校級服務(wù)器的處理速度及短信存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力有關(guān)。由于直接的測試不易實(shí)現(xiàn)，因此，該指標(biāo)的測試只能依靠對服務(wù)器系統(tǒng)的壓力測試和對在現(xiàn)有學(xué)校實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行的評估。

本系統(tǒng)的壓力測試結(jié)果是在半小時內(nèi)（一個正常的上學(xué)或放學(xué)時間段），校級服務(wù)器及短信接口能夠支持超過5000張射頻卡通過校門。而從已實(shí)際投入運(yùn)行的學(xué)校來看，學(xué)生數(shù)量少則近千名，最多有3000多名，識別準(zhǔn)確率都能夠達(dá)到要求。

4.3  系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定性指整個系統(tǒng)無障礙運(yùn)行時間所占整個時間的比率，它是一個綜合指標(biāo)，涉及到系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的可靠性。目前，西安平安校園系統(tǒng)經(jīng)過初期對天線系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多次優(yōu)化，系統(tǒng)系統(tǒng)性已經(jīng)可以達(dá)到99.8%以上，而且更趨于平穩(wěn)。

5  組網(wǎng)與綜合業(yè)務(wù)管理平臺

西安平安校園系統(tǒng)可以覆蓋西安市城區(qū)和所有郊縣，根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬和安全性需求及對成本的綜合考慮,500多所學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)采用VPN方式，可在各校原有上網(wǎng)專線上，疊加一個專有IP網(wǎng)段,并采用IPSec加密。短信網(wǎng)關(guān)和綜合業(yè)務(wù)管理平臺則通過光纖專線方式的專用通道接入網(wǎng)絡(luò)。

綜合業(yè)務(wù)管理平臺是為西安平安校園系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)校和班級管理、學(xué)生資料錄入與修改、群發(fā)短信編輯以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)管提供支撐的遠(yuǎn)程集中管理平臺。平臺采用中間件技術(shù)并帶有與短信網(wǎng)關(guān)、校級服務(wù)器的接口，可為學(xué)校老師、業(yè)務(wù)受理人員、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理人員提供基于Web的操作界面。

6  結(jié)語

西安平安校園系統(tǒng)有兩個突出的特點(diǎn)，一是以一對射頻讀卡器（包括天線）和一個服務(wù)器共同組成一個具備學(xué)生進(jìn)出校門識別功能的基本單元，這是一種復(fù)雜形態(tài)的射頻識別節(jié)點(diǎn);二是以各校子系統(tǒng)為單位，通過集中平臺和VPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大規(guī)模平滑擴(kuò)展。

隨著網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展，該系統(tǒng)應(yīng)存在很大的改進(jìn)空間，可以以更小、更高效且具備相當(dāng)數(shù)據(jù)庫支持能力的嵌入式設(shè)備代替目前的校級服務(wù)器，以使其通過具有更大帶寬的3G或4G移動技術(shù)替代目前的有線方式進(jìn)行廣域組網(wǎng)，同時也可采用更高準(zhǔn)確性、更低功耗的射頻設(shè)備等。