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

一段時(shí)間以來(lái)，校園安全引起了政府部門的高度重視，各地相繼設(shè)計(jì)建設(shè)了一些平安校園應(yīng)用系統(tǒng),使家長(zhǎng)和老師能及時(shí)掌握學(xué)生進(jìn)出校情況。這種平安校園系統(tǒng)可作為對(duì)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(jì)的西安平安校園系統(tǒng)為背景,對(duì)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(shí)別、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和自動(dòng)控制等技術(shù)，可覆蓋西安市所有區(qū)縣并擁有500多個(gè)子系統(tǒng)以及幾十萬(wàn)張射頻卡和手機(jī)用戶，是物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)具體實(shí)例。

1  總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)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(jí)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(tái)。每所學(xué)校一臺(tái)校級(jí)服務(wù)器，各自通過(guò)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(tái)。

本校園平安系統(tǒng)的工作過(guò)程是：當(dāng)佩帶有唯一號(hào)碼射頻卡的學(xué)生進(jìn)出校門時(shí)，安裝在校門通道的讀卡器就會(huì)檢測(cè)到射頻卡的卡號(hào)等信息，校級(jí)服務(wù)器將對(duì)讀卡器送來(lái)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(hào)提取家長(zhǎng)手機(jī)號(hào)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(zhǎng)發(fā)送手機(jī)短信。

2  射頻識(shí)別技術(shù)及平安校園系統(tǒng)的特點(diǎn)

射頻識(shí)別技術(shù)是一種利用射頻信號(hào)并通過(guò)交變電磁場(chǎng)空間耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息來(lái)進(jìn)行識(shí)別的新技術(shù)，系統(tǒng)使用低頻、高頻、超高頻等幾個(gè)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(xiě)器/天線可接收來(lái)自射頻卡的信號(hào)并由信息處理器針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制。

射頻識(shí)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(dòng)化且不易損壞，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體;其次，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)射頻卡;第三，可以實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)。這三個(gè)特點(diǎn)決定了射頻識(shí)別技術(shù)非常適合學(xué)生進(jìn)出校門的識(shí)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(shí)間有大量學(xué)生集中通過(guò)校門，每個(gè)人主動(dòng)去刷卡是不可行的。

3  進(jìn)出校門識(shí)別

3.1  識(shí)別原理

對(duì)學(xué)生進(jìn)出校門的識(shí)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(gè)矩形，可以將這個(gè)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(shí)別原理，這樣，通過(guò)檢測(cè)射頻卡在校門通道外側(cè)和內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的時(shí)間先后，就可以判斷學(xué)生是進(jìn)入還是離開(kāi)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(hào)后,B才接收到有效信號(hào)，系統(tǒng)判斷為進(jìn)門；

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

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

這個(gè)規(guī)則可解決理想狀況下的進(jìn)出校門的識(shí)別,但還需要對(duì)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(dòng)，而不進(jìn)入B范圍時(shí)，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(shí)，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(kāi),又回到A時(shí)，取消進(jìn)校機(jī)制檢測(cè)，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(cè)范圍時(shí)，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(zhǎng)(稱為狹長(zhǎng)型通道)，有的校門很寬且內(nèi)外都是開(kāi)闊區(qū)域(稱為扁平型通道)，有的則介于兩者之間。狹長(zhǎng)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(guò)調(diào)整天線功率和接收信號(hào)閾值,可以較容易地實(shí)現(xiàn)A、B覆蓋范圍不重疊。

但對(duì)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(gè)與讀卡器相連的感應(yīng)線圈，線圈長(zhǎng)度覆蓋校門通道的寬度。工作時(shí)，當(dāng)射頻卡接近線圈時(shí),線圈發(fā)出的低頻信號(hào)激活射頻卡，然后射頻卡再發(fā)出超高頻信號(hào)被讀卡器的超高頻天線接收。這樣，通過(guò)調(diào)整地埋線圈的信號(hào)強(qiáng)度，就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)低頻信號(hào)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(dòng)式射頻卡，可通過(guò)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(dòng)向外發(fā)出無(wú)線信號(hào)（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(wú)線信號(hào)是有編碼的，每個(gè)卡有唯一的編碼。

4  系統(tǒng)性能測(cè)試

性能測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)是能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的檢驗(yàn)。平安校園系統(tǒng)的性能測(cè)試主要包括對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確率、系統(tǒng)容量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等指標(biāo)的測(cè)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(shí)別準(zhǔn)確率

識(shí)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(guò)速度的前提下，能正確識(shí)別出的卡數(shù)量占全部通過(guò)的卡數(shù)量的比率。實(shí)際測(cè)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(jì)正確識(shí)別出的卡數(shù)量。

試驗(yàn)中，射頻卡經(jīng)過(guò)校門的速度模擬了學(xué)生各種情況下通過(guò)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(duì)）時(shí)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(duì)每個(gè)學(xué)校進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。目前,能夠達(dá)到的識(shí)別準(zhǔn)確率如表1所列。事實(shí)上，對(duì)于單個(gè)射頻卡，在可能的通過(guò)速度下（快走、慢走和跑步），識(shí)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(guò)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(shí)別準(zhǔn)確率，系統(tǒng)容量是一個(gè)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(jí)服務(wù)器的處理速度及短信存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)能力有關(guān)。由于直接的測(cè)試不易實(shí)現(xiàn)，因此，該指標(biāo)的測(cè)試只能依靠對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)的壓力測(cè)試和對(duì)在現(xiàn)有學(xué)校實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行的評(píng)估。

本系統(tǒng)的壓力測(cè)試結(jié)果是在半小時(shí)內(nèi)（一個(gè)正常的上學(xué)或放學(xué)時(shí)間段），校級(jí)服務(wù)器及短信接口能夠支持超過(guò)5000張射頻卡通過(guò)校門。而從已實(shí)際投入運(yùn)行的學(xué)校來(lái)看，學(xué)生數(shù)量少則近千名，最多有3000多名，識(shí)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(gè)系統(tǒng)無(wú)障礙運(yùn)行時(shí)間所占整個(gè)時(shí)間的比率，它是一個(gè)綜合指標(biāo)，涉及到系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性。目前，西安平安校園系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初期對(duì)天線系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)

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(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和安全性需求及對(duì)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(gè)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(tái)則通過(guò)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(tái)是為西安平安校園系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)校和班級(jí)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(tái)。平臺(tái)采用中間件技術(shù)并帶有與短信網(wǎng)關(guān)、校級(jí)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(yǔ)

西安平安校園系統(tǒng)有兩個(gè)突出的特點(diǎn)，一是以一對(duì)射頻讀卡器（包括天線）和一個(gè)服務(wù)器共同組成一個(gè)具備學(xué)生進(jìn)出校門識(shí)別功能的基本單元，這是一種復(fù)雜形態(tài)的射頻識(shí)別節(jié)點(diǎn);二是以各校子系統(tǒng)為單位，通過(guò)集中平臺(tái)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(kù)支持能力的嵌入式設(shè)備代替目前的校級(jí)服務(wù)器，以使其通過(guò)具有更大帶寬的3G或4G移動(dòng)技術(shù)替代目前的有線方式進(jìn)行廣域組網(wǎng)，同時(shí)也可采用更高準(zhǔn)確性、更低功耗的射頻設(shè)備等。