?基于雙頻RFID的“校園衛(wèi)士”技防管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在“立即行動(dòng)起來，給孩子們成長和學(xué)習(xí)提供一個(gè)平安和諧的社會(huì)環(huán)境”的方針指導(dǎo)下，各地政府的教育、公安部門在加強(qiáng)校園安全管理，提升監(jiān)管力度等方面做了大量具體的工作。

在人防方面，有關(guān)部門在中小學(xué)生上學(xué)、放學(xué)的重點(diǎn)時(shí)段、路段加派警力執(zhí)勤巡邏，為學(xué)校增配保安人員，進(jìn)一步健全和完善校園安全保衛(wèi)規(guī)章制度。

而在物防、技防方面，各地均在學(xué)校周界安裝了視頻監(jiān)控和應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)，并與公安110接警中心聯(lián)網(wǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的主要特色:一方面是將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在中小學(xué)校園場景中加以變革和創(chuàng)新應(yīng)用，從技術(shù)防范管理角度提升中小學(xué)校園的安全管理水平;另一方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中著重體現(xiàn)RFID的低功耗、海量閱讀和綠色環(huán)保等理念。

1  總體設(shè)計(jì)

地區(qū)級“校園衛(wèi)士”技防管理體系一般由1個(gè)“校園衛(wèi)士”管理維護(hù)中心平臺、1個(gè)電信運(yùn)營商短信平臺和多個(gè)校園的“校園衛(wèi)士”技防管理系統(tǒng)（下簡稱：校園RFID管理系統(tǒng)）組成。圖1所示是一個(gè)地區(qū)級“校園衛(wèi)士"管理系統(tǒng)的體系圖，該校園RFID管理系統(tǒng)釆用近、遠(yuǎn)距離雙射頻RFID技術(shù)來實(shí)現(xiàn)持卡學(xué)生在無障礙進(jìn)、出校門的自動(dòng)識別、監(jiān)控管理和信息發(fā)布。

校園RFID管理系統(tǒng)采用RFID識別技術(shù)，可將學(xué)生信息、學(xué)生家長信息和RFID相關(guān)聯(lián)，再通過校園門口的閱讀器進(jìn)行RFID數(shù)據(jù)采集后，由后臺微機(jī)服務(wù)器分析處理,然后將學(xué)生到、離校情況信息短信發(fā)送給家長和班主任老師，實(shí)現(xiàn)學(xué)生到校信息互動(dòng)，為家長和老師通報(bào)平安。圖2所示是“校園衛(wèi)士”管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。

2  技防終端硬件

校園RFID管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由雙頻RFID卡.RFID低頻管理器、RFID高頻閱讀器、信號調(diào)諧器和計(jì)算機(jī)服務(wù)器等設(shè)備組成,一個(gè)校園出入通道至少需要配置兩臺低頻管理器和一臺高頻閱讀器。根據(jù)校園應(yīng)用場景的不同，研發(fā)部門設(shè)計(jì)了2合1和1拖2兩種形態(tài)的產(chǎn)品，并將其組裝在一個(gè)如圖3所示的結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)。

2.1  技防終端的工作原理

低頻管理器可將低頻載波信號(125~132kHz)通過低頻感應(yīng)線圈向外發(fā)送，這樣，雙頻RFID卡進(jìn)入低頻發(fā)射天線工作區(qū)域后將被激活，RFID卡發(fā)射出帶有低頻目標(biāo)識別碼和雙頻RFID卡目標(biāo)識別碼的高頻加密載波信號(2.4GHz)并被高頻閱讀器接收天線接收，經(jīng)器接收處理后，系統(tǒng)將提取出雙目標(biāo)識別碼信息送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，RFID卡進(jìn)行進(jìn)出校門邏輯判斷和預(yù)設(shè)的系統(tǒng)管理后，再及時(shí)進(jìn)行短信發(fā)送和網(wǎng)頁信息發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化安全管理。圖4所示是本系統(tǒng)技防終端的工作原理圖。

2.2  雙頻RFID的工作流程

首先，低頻管理器會(huì)連續(xù)發(fā)射125kHz?132kHz無線電信號以喚醒在管理器區(qū)域內(nèi)的雙頻RFID射頻卡。管理器區(qū)域信號的強(qiáng)弱，可通過調(diào)諧器調(diào)諧。

然后，高頻閱讀器再經(jīng)低頻管理器激活的雙頻RFID卡向高頻閱讀器連續(xù)發(fā)射2.4GHz并帶有卡ID和低頻管理器ID的無線信號。

雙頻RFID射頻卡閑時(shí)處于低頻監(jiān)聽和高頻休眠狀態(tài)，功耗較低；當(dāng)雙頻RFID射頻卡移入低頻管理器范圍時(shí)，RFID高頻部分開始工作，并向高頻閱讀器發(fā)射信息；當(dāng)雙頻RFID卡移出低頻管理器信號覆蓋范圍后，雙頻RFID卡重新進(jìn)入高頻休眠和低頻監(jiān)聽狀態(tài)。

2.3  雙頻RFID模塊

本設(shè)計(jì)將雙頻RFID模塊設(shè)計(jì)在一張名片大小的塑料卡套內(nèi)，模塊由低頻接收電路、高頻發(fā)射電路、天線及電源部分組成。兩節(jié)并聯(lián)的紐扣電池用于為高頻2.4GHz發(fā)射電路發(fā)射電能;低頻接收電路則采用線圈感應(yīng)來獲取工作電流。在沒有125?132kHz的環(huán)境下,高頻發(fā)射電路處于斷路狀態(tài)，不向外發(fā)射2.4GHz信號;低頻接收電路工作時(shí)，高頻發(fā)射電路處于工作狀態(tài)，并向外定時(shí)發(fā)送高頻信號。高頻發(fā)射芯片可選用挪威Nordic公司的RFC2410,該芯片具有超低功耗、短距離工作等特點(diǎn)。圖5所示是本系統(tǒng)中雙頻RFID卡的實(shí)物示意圖。

正常使用情況下，雙頻RFID卡中電池的使用壽命為6年左右，基本上能夠保證在校學(xué)生使用一張卡完成小學(xué)或中學(xué)階段的學(xué)業(yè)。

雙頻RFID卡內(nèi)還可以封裝1個(gè)13.56MHz的IC芯片，可實(shí)現(xiàn)在校學(xué)生的餐飲消費(fèi)、圖書借閱及乘坐城市交通工具等業(yè)務(wù),從而實(shí)現(xiàn)一卡多用等功能。

2.4  低頻管理器

低頻管理器使用24VDC和5VDC工作電源，24VDC電源主要為低頻管理器的LC天線提供電能,管理器125~132kHz發(fā)射信號的強(qiáng)弱可通過調(diào)諧器調(diào)節(jié)。低頻管理器對雙頻RFID卡激活距離一般在縱向1?3m范圍內(nèi)可調(diào)。低頻管理器內(nèi)設(shè)有64地址DIP,可以根據(jù)校園進(jìn)出通道情況設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)低頻管理區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)對超寬校門進(jìn)出通道低頻信號的完整覆蓋,避免產(chǎn)生盲區(qū)，影響識別效果。

2.5  高頻閱讀器

高頻管理器使用5VDC工作電源，并可外接兩根3.5dB全向天線。高頻管理器與雙頻RFID卡之間的通信需在視覺可視或小于12cm繞射情況下使用，高頻管理器并發(fā)閱讀能力應(yīng)達(dá)到200張以上。數(shù)據(jù)接收距離取決于RFID卡發(fā)射功率或高頻天線的增益大小,一般出廠時(shí)設(shè)定的識別距離范圍為50m。高頻管理器與計(jì)算機(jī)服務(wù)器的默認(rèn)接口為RS485。

3  軟件功能

本管理系統(tǒng)軟件由底層嵌入式RFID卡固件、低頻管理器固件、高頻閱讀器固件、應(yīng)用層數(shù)據(jù)釆集軟件、短信發(fā)送軟件、校園Web管理信息軟件組成。前面部分軟件用于完成RFID的信息釆集、入庫、識別、加工及數(shù)據(jù)傳輸;校園Web管理信息軟件則用于完成對學(xué)生的卡片信息管理、考勤管理、賬號管理、系統(tǒng)維護(hù)等基本功能和家?；?dòng)、圖書館借書、餐飲消費(fèi)等擴(kuò)展功能。

3.1  軟件流程

本系統(tǒng)可完成學(xué)生出入校園的識別判斷,識別結(jié)果寫入出入記錄數(shù)據(jù)庫。軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的學(xué)生和考勤策略信息生成考勤信息及平安短信?？记谛畔⒈粚懭肴战y(tǒng)計(jì)報(bào)表，平安短信被寫入短信數(shù)據(jù)庫，由短信模塊負(fù)責(zé)向?qū)W生家長手機(jī)發(fā)送短信。圖6所示是本系統(tǒng)生成的學(xué)生考勤明細(xì)示意圖。

3.2  出入識別流程

本系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)“校訊通（使用HF頻段無源、近距離卡）”主動(dòng)獨(dú)占式刷卡模式為無障礙開放通道模式，當(dāng)學(xué)生攜卡進(jìn)出學(xué)校校門時(shí),無需主動(dòng)刷卡，系統(tǒng)高頻閱讀器即可自動(dòng)采集學(xué)生攜帶的RFID卡信息,通過后臺識別分析軟件自動(dòng)錄入學(xué)生進(jìn)出校門的狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高學(xué)生進(jìn)出通行速度，可解決學(xué)生上下學(xué)排長隊(duì)打卡的問題。

學(xué)生進(jìn)出校門時(shí)，系統(tǒng)釆用兩臺管理器和一臺閱讀器來判斷學(xué)生進(jìn)出方向，每臺低頻管理器各有獨(dú)立的喚醒RFID的區(qū)域，并擁有共同的高頻閱讀區(qū)域。當(dāng)RFID卡被激活并發(fā)送信息后，系統(tǒng)軟件便根據(jù)兩臺低頻管理器ID及釆集記錄的先后順序來分析學(xué)生進(jìn)出校門的狀態(tài)。如系統(tǒng)釆集到同一張RFID的兩條信息依次是AB,即先采集到管理器A后釆集到管理器B的信息，則認(rèn)為學(xué)生剛剛經(jīng)歷了出校/入校狀態(tài);如系統(tǒng)采集到的順序?yàn)锽A即先采集到管理器B后采集到管理器A的信息，則認(rèn)為學(xué)生剛剛經(jīng)歷了入校/出校狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集軟件同時(shí)對學(xué)生的狀態(tài)變化做了策略處理,從而有效防止了學(xué)生進(jìn)入校門后又馬上出門的現(xiàn)象發(fā)生時(shí),短信系統(tǒng)向?qū)W生家長連續(xù)發(fā)送多條短信的問題。圖7給出了學(xué)生出入校門識別時(shí)，系統(tǒng)管理器和閱讀器的工作示意圖。

3.3  短信發(fā)送流程

短信報(bào)安與出入識別分析軟件配合，可使學(xué)生出入校的考勤信息通過平臺實(shí)時(shí)發(fā)送到家長手機(jī)上。為防止漏發(fā)或由于家長手機(jī)信號弱等問題引起的短信不能接收，短信報(bào)安模塊將會(huì)嘗試指定次數(shù)的重新發(fā)送,在指定次數(shù)內(nèi)，若未收到正確接收的狀態(tài)報(bào)告,將再次嘗試發(fā)送，以幫助家長更好的掌握學(xué)生的在校情況。

短信發(fā)送采用SMGP/CMPP協(xié)議與電信運(yùn)營商短信網(wǎng)關(guān)互相通信。短信軟件可支持短信雙向收發(fā)、群發(fā)、狀態(tài)報(bào)告回復(fù)和狀態(tài)報(bào)告査詢。還可提供業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計(jì)等維護(hù)管理功能。圖8所示是家長手機(jī)上收到的短信示例。

4  系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)的識別距離可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境靈活調(diào)整，并能可靠識別快速移動(dòng)目標(biāo)，識別速度最快可以達(dá)到80km/h。卡內(nèi)有高能電池，可使用50萬次,且有低電量信息提示功能（電池或可更換）。

系統(tǒng)具有先進(jìn)的防碰撞技術(shù),可同時(shí)識別多張不同號碼的RFID射頻卡，并支持多卡同時(shí)讀寫，識別誤碼率小于10^-5。

系統(tǒng)無對人體傷害的電磁污染，信號穿透力和繞射力強(qiáng),識別區(qū)域無方向性、無盲區(qū)。

系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，并采用加密計(jì)算與校驗(yàn)算法,可防止鏈路竊聽與數(shù)據(jù)破解，信息的安全性和保密性能高。

具有高抗干擾性，對周界環(huán)境無特殊要求。采用抗干擾和防雷設(shè)計(jì),可滿足工業(yè)環(huán)境要求，設(shè)備的維護(hù)工作量幾乎為零。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，部署方便，建設(shè)周期短，整個(gè)系統(tǒng)方案易于實(shí)施，可在最短時(shí)間內(nèi)完成全市學(xué)校的監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

本系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)校園校門門禁管理、校園餐飲消費(fèi)、校園固定資產(chǎn)管理等多種功能的綜合應(yīng)用。

5  系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

5.1  技防終端參數(shù)

圖9所示是本系統(tǒng)的技防終端實(shí)物圖。該終端的輸入電壓為220VAC；發(fā)射頻率為125?132kHz；接收頻率為2.4GHz；工作溫度為一20°C?+60°C；識別區(qū)域:激活卡的距離0.1?20m（可調(diào)），接收卡的距離1?50m；通訊方式為RS232,RS485、GSM/GPRS、TCP/IP；傳輸波特率為1200/2400/9600b/s；適用電壓為220VAC50Hz；功耗小于5W；環(huán)境溫度為-20°C?+60°C；識別距離不小于9m。

5.2  雙頻RFID卡

系統(tǒng)內(nèi)的雙頻RFID卡的接收頻率為125?132kHz；發(fā)射頻率為2.4GHz；工作電壓為直流2.8?3.6V；系統(tǒng)電池的使用壽命為收發(fā)信號次數(shù)可達(dá)50萬次;卡電路部分全樹脂密封，電池部分采用防水密封;工作環(huán)境溫度為一20°C?+60°C；被激活距離為0.1?20m（可調(diào)），發(fā)射數(shù)據(jù)距離為1?50m；環(huán)境溫度為一20°C?+60°C；相對濕度為不大于95%。

6  典型案例

由大唐電信參與建設(shè)的國內(nèi)首個(gè)大規(guī)模校園物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目，即中國電信西安分公司"校園衛(wèi)士"系統(tǒng)已經(jīng)順利驗(yàn)收?！靶@衛(wèi)士”項(xiàng)目具體包含有兩百多所中小學(xué)的“校園衛(wèi)士”建設(shè)，是國內(nèi)首個(gè)大規(guī)模校園物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用項(xiàng)目。系統(tǒng)建設(shè)包括RFID識別卡、RFID讀卡器、RFID天線、分布式服務(wù)器、綜合業(yè)務(wù)平臺等。

使用該系統(tǒng)后，學(xué)生只要佩戴“校園衛(wèi)士卡”進(jìn)出校門，校門口上方安裝的兩個(gè)讀卡器就會(huì)讀出數(shù)據(jù),并通過電信的系統(tǒng)平臺將孩子進(jìn)出校園的時(shí)間通過短信發(fā)到家長的手機(jī)上。此外,家長還可以通過綜合平臺及時(shí)收到老師發(fā)送的有關(guān)家庭作業(yè)、考試成績、各類通知、在校表現(xiàn)等信息。

7  結(jié)語

RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用隨著不同行業(yè)領(lǐng)域的不斷演化、擴(kuò)展和延伸，技術(shù)細(xì)節(jié)也千差萬別。設(shè)計(jì)者需要根據(jù)不同的具體應(yīng)用環(huán)境，采用合適的RFID技術(shù)并設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過雙射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RFID卡的喚醒與識別過程:學(xué)生佩戴的RFID卡在平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，節(jié)能、環(huán)保;只有在出入校門口時(shí)，該卡才被喚醒并發(fā)送高頻信號，完成識別過程。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能安全可靠，適用于國內(nèi)中小學(xué)學(xué)校環(huán)境。