RFID智慧校园安防管理系统研究与应用

[摘要]针对校园管理存在的信息处理手段落后的问题，提出了一种基于RFID远距离自动识别技术的校园安全管理系统设计方案，给出了无线传感器和中间件技术在系统软件中的应用。实验结果表明，该管理系统能够对校园安全实行全方位的监控和管理，非工作人员接近重要或危险区域自动报警，学生在校内信息及时与家长互动，实现了校园安全管理的实时自动化，提高了校园安全管理效率。

[关键词]智慧校园；物联网；中间件：RFID；ZigBee

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2013）03-0095-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.019

引言

学校是教书育人的场所，安全和谐的校园环境关乎广大师生的身心健康和生活秩序，也承载着每个家庭的幸福和社会稳定等社会责任。随着社会发展，校园突发事件明显增多，不明身份的人很容易出入校园；家长除了借助通信工具与老师进行沟通，很难及时了解孩子出入校园信息；校内重要场所、危险区域除了视频监控、文字警示外，没能借助现代新技术实现语音提示、安全联动报警等功能。校园安全管理工作基础薄弱，迫切需要借助技术手段实现全方位、多渠道方式加强和谐校园建设管理。

近年来，随着RFID技术提升、成本下降，使得其在物流管理、食品溯源、高速收费等领域成功应用，把RFID技术应用到校园安防系统，必将有力促进和谐校园的建设工作。

一.物联网技术内涵与特征

1.RFID原理及技术特性

RFID（Radio Frequency Identification System），即无线射频识别系统，是一种无线自动识别技术，也称电子标签技术，是自动识别技术的一种创新，可通过无线电信号来识别特定目标并进行相关数据的读写，而无须在特定目标与识别系统之间建立光学或机械接触，它利用无须电波来传送识别的数据。透过对象上的微电子芯片“标签”。每个标签都会自动发射出特有的ID码，通过无线传输，不须实体接触即可完成数据交换，且数据交换时也无方向性要求，因此能够提供充足的对象信息。它将相关信息传送到计算机系统里，用以对对象进行追踪、识别、排序和确认。

无线射频识别系统基本组成单元包括RFID标签（Tag）、RFID读写器（Read）、数据传送与处理系统。RFID标签是内存带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息，它具有信息接收传播穿透性强、持久性、种类多、存储信息容量大等特点。读写器由接收仪、发送器、收发器和控制模块组成，控制模块和收发器中的可编程逻辑控制器连接，实现沟通功能。读写器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据，由控制计算器处理接收到的数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池；被动射频系统中，标签必须在读写头的一定范围内活动，以便获得能量传输数据。

2.适用于校园安防管理的电子标签的识别方式

读写器识别电子标签的方式主要有三种：近距离人工刷卡、无源远距离识别和有源远距离识别。在系统集成中，识别方式的选择是非常至关重要的，将直接影响到系统的读取率和便利性。

近距离人工刷卡方式：高频（HF）和低频（LF）IC型电子标签（比如公交卡，传统门禁卡等）与相应读写设备的应用，由于其识别范围在15cm之内（标签到读写器的直线距离），用户必须将电子标签取出并上前靠近读卡器才能被识别。这种方式尽管识别率高且成本低廉，但由于在使用中需要用户依次逐个识别。在进出校门的高峰期会形成拥挤现象，容易引发安全事故，所以目前这种工作方式几乎已经被淘汰。

无源远距离识别方式：超高频（UHF）频段以915M为主的读卡设备和无源ID型电子标签的应用，其识别范围达到10米左右，可解决近距离人工刷卡方式识别效率低的问题。个别较好的读卡设备能够支持多达50个射频卡的同时并发读卡，相交之前可大大改善用户的通行速度，无需逐次排队进出校门。但这种方式仍存有很多应用上的问题：（1）无源电子标签不能被金属物和人体遮挡，这就需要每个人在进出校时不能背对读卡器天线位置，同时电子标签也不能放置在衣服口袋或书包内，也不能紧贴人体；（2）无源电子标签不可以与任何金属物混放在一起，否则无法被识别到；（3）在识别范围内，大流量人员的出入也会造成较高的漏读或错读情况。这些缺陷的存在以至于这一技术基本无法应用于平安校园领域。

有源远距离识别方式：主要以2.4～2.48G频段为主，最有实用价值，同时也是最适合校园的一种识别方式。使用有源的读卡器设备和电子标签识别距离极远，可在50米半径范围内轻松读取，同时支持多达200个电子标签的同时并发读取，最关键的是有源电子标签能够克服人体、衣物以及非封闭金属环境等遮挡，大量学生一起进出依然能保证极高的读取准确率。

3.RFID中间件及其在物联网应用系统中的作用

随着物联网技术的逐步成熟及系统应用的不断推广普及，许多的应用将涉及广泛的设备范畴，其间所涉及的采集设备（如各类传感器、RFID读写器）种类繁多，如何最大限度缩短应用软件的开发周期，统一管理各种硬件设备，与第三方软件的系统集成等许许多多实际应用问题催生出新的系统诞生一一中间件。物联网数据综合处理平台（简称中间件）在研究多种类型的读卡器接口方式、通讯协议等基础上研发出可以适用不同的硬件（读卡）设备，能提供多种策略的该平台数据被应用软件灵活调用。RFID中间件扮演应用程序与RFID标签之间的中介角色，中间件所提供的一组通用应用程序接口（API）供应用程序端使用，即能连到RFID读写器，读取标签数据。这样一来，即使读写RFID读写器种类增加、改由其他软件取代或应用程序增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。该平台具有对不同类型的读卡器设备进行管理和参数设置、数据过滤（时间过滤、条件过滤等）、实时监控设备运行、建立数据表并与数据库连接等功能，为物联网技术与应用的发展不仅创造了可持续发展的共性平台、综合平台，更为将来更多的开环（大型）系统的应用奠定了扎实的开放的环境基础，极大的降低劳动成本、提高开发效率及更好的整合兼容性。中间件系统应用见图1。

中间件是一种开放的、可扩展的物联网软件平台，支持“不同厂家、不同型号、不同数据格式、不同通信协议、不同通信方式”的物联网终端设备：利用“二次采集”技术，对终端设备采集到的数据进行“二次采集”，即对采集到的数据包进行分析并转换，输出标准格式的数据；当终端设备发生故障时能够自动提醒和处理，甚至自动修复，并且不影响其他相关终端设备的正常工作，很大程度上减少了维护难度：能对不同类型物联网终端设各进行独立且便捷的配置、添加和管理，甚至可以控制设备的工作状态和采集速度：能独立分析不同厂家和型号终端设备的数据，支持数据包标识分析、长度分析和综合分析，把“专业的数据”变成“通用的数据”；能支持500个以上终端设备同时运行；能根据用户需要将数据转换成十六进制、十进制、字符串格式，具有“标准化数据输出”技术，便于数据的分析和统计。

4.ZigBee技术

ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线通信标准的、面向自动化和无线控制的无线网络方案，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是成本和功耗最低的技术。ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点，决定了它适合承载数据流量较小的通信业务。其通信速率在2.4GHz时为250Kb/s，在915MHz时为40Kb/s，在868MHz时为20Kb/s，传输距离为10～75m。

ZigBee主要适合于传感、远程控制和工业控制领域。数千个微小的传感器之间通过ZigBee相互协调，实现通信。这些传感器只需要极小的能量，将通信数据通过无线电波以接力的方式从一个传感器传到另一个传感器，不仅通信效率很高，网络容量也大，一个ZigBee网络可容纳多达1个主设备和254个从设备，一个区域内可同时容纳近百个ZigBee网络。这些特点使得其在传感器网络、工业监控、安全系统、家庭监控等领域有很大的发展空间。

二.平安校园管理系统设计

当前，大多数学校的校园信息管理系统仅仅学校相关信息，校园主要场所或重要区域安装摄像监控，学校、学生和家长之间只能以电话、手机等通信工具取得联系。由于教师要面对许多学生，不可能有过多的精力每天逐一与家长进行电话沟通。因此三者之间无法进行及时有效的信息沟通，家长对孩子在校的情况也不能做到全面、及时地了解与掌握。传统的校园管理系统存在着管理效率低、成本高、功能有限等不足。

随着信息技术的发展，尤其是物联网技术的发展与应用，给校园安防系统带来技术性的飞跃，使学校、家长与学生三者之间信息及时互通成为可能。平安校园管理系统是指利用计算机、物联网、RFID射频识别与无线通信技术，打造的具有安全、支付、家校沟通、信息采集等功能的综合应用系统，它可以实时的将学生考勤、学习、考试、作业、体检信息、消费情况等进行反馈，建立学校家长方便快捷、有效及时沟通的教育信息互动平台，对校园重要区域或危险场所进行电子监控报警，实现防患于未然。平安校园安防管理系统结构见图2。

三.平安校园管理系统的实现

1.门禁系统

门禁系统技术主要由三个层的设备构成，底层包括身份识别装置（密码、指纹（生物识别）、读卡（IC或ID等））、电子门锁、出门按钮、报警传感器和报警喇叭等；控制器用来接收底层设备采集来的人员信息，与服务器的数据库校验其授权情况后做出处理；庞大的门禁系统是将多个控制器、底层设备构筑的小系统通过通信总线与中央控制计算机相联所组成。门禁系统结构图见图3。

其功能可概括为权限管理——每个出入口可对进出的人进行授权，限制某一个或多个人员是否可以通过此出入口，常用的判断方式有密码、指纹（生物识别）、读卡（IC或ID）等，还可对该出入口指定时间段的进出情况给予设置：实时监控_系统管理员可以通过终端机实时查看每个出入口及区域的人员进出情况以及它们的状态（包括出入口当前开关状态和各种非授权状态的报警等）；也可以在紧急状态关闭或打开所有或单个的出入口；记录查询——系统可储存所有的状态记录、进出记录，可按不同的查询条件查询，配备相应考勤软件可实现考勤、门禁一卡通：异常报警——在异常情况下可实现终端机报警或报警器报警，如：门超时未关、非法侵入等。

2.校园危险区域安防系统

校园危险区域安防系统是为加强对特定区域的安全防范，结合人机对话以及逻辑判断技术实现智能控制，使得系统更加灵活，具有前瞻性。该系统可实现周界检测及防御一一对周界进行智能分析检测，可对徘徊人员进行语音警告，并对翻越人员进行有效防御，采取智能检测可有效避免误检和漏检，通过软件智能分析可有效区分人员或动物干扰；过渡区检测及防御——对位于核心区域与防御区之间的过渡区采取跟踪定位，当区域被侵入时快速定位侵入人员并采取相应措施对其进行防御，同时可结合视频监控设备对其进行抓拍：核心区域防御——此功能包括门窗的检测防御，以及重要区域的紧急防御，同时对该区域的重要出入口实施缓冲措施，即对出入口区域设定缓冲区，当该区域内出现多人的情况下系统需要所有人员验证身份后才许可进入，可有效避免内外结合以及跟随人员进入的可能性；紧急防御功能——此功能只在当核心区域被侵入时才启动，在正常情况下用户是安全的，能有效避免无侵入情况下的误触发；备用电源功能——确保供电失常情况下，系统仍能保持一段时间的正常使用，使通讯畅通无阻，有效避免非法人员企图通过中断电源来入侵系统。

3.师生考勤集成系统

基于RFID技术的学生上课出勤和教师考勤系统是指利用自动识别技术和无线射频管理学生和教师是否按时进入各自指定区域的管理系统。该系统能够实现自动识别身份信息——在学生/教师进入教室的时候，阅读器读取当前进入教室的学生/教师ID卡电子标签号，并通过与后台服务器数据库的信息对比，从而自动识别该学生/教师进入教室时的身份并记录在服务器数据库中；课程排班对比：当学生/教师进入读写器识别范围时，系统会自动把其证件ID号与服务器数据库中的学生班级名册或课程排班表进行比对，核对目前所处教室的班级名单以及检查上课教室是否符合教师授课；生成出勤/考勤记录一一针对核对正确的学生/教师，自动记录出勤/考勤时间，并根据时间条件判断是否旷课或迟到，同时自动更新后台的考勤数据表，并由此实时计算出勤/考勤合格率。

为预防少数学生试图蒙骗考勤系统而可能同时携带别人的ID卡的情况，可由任课教师使用手持机等便携设备即时清点学生ID卡总数，如与系统统计出的人数不符，则说明有无效的学生ID信息。师生考勤集成系统结构见图4。

4.短信平台系统

学生是否按时到校、何时离开校园以及在校出勤等表现情况是家长极为关心的，短信平台是学校与家长之间最为有效的沟通平台。

短信平台系统具备自动发送即时信息一一学生到校（上学）、离校（放学）时，相关的安全信息会通过短信猫（猫池）自动发送到与该学生所佩戴电子标签ID号匹配的家长手机上，以便家长及时了解子女上学及放学的安全情况，同时也可以用此功能发送例如：家长会、要求家长提供的教育协助信息、放假通知等信息；缺席自动警报一一如果某位学生的电子标签没有在规定时间段被识别到，则系统自动判断为缺席，则将自动发出警报提示，提示学校管理员注意，并自动将警报信息发送给其家长，从而方便采取下一步措施；集中式紧急通知——如果遇到紧急意外情况，可以在第一时间将紧急意外情况通知到所有家长，准确、快捷、通知率高，保证所有学生的安全；查询便利——借助网络的拓展功能可以将客户端安装在学校任何一台电脑上，方便学校相关部门分级分权限地来查询和打印有关信息，短信平台结构见图5。

5.网络视频集成系统

网络视频监控系统是指使用宽带网络提供声音、图像和各种报警信号，远距离采集、传输、储存与处理的全新的视频监控系统。网络视频集成系统不仅具有摄录像功能，还能根据编组的读卡器读到的相关信息进行相应处理：自动采集发送——当与摄像头编组的读卡器读取到电子标签ID时，该摄像头将会自动采集当前帧（画面），进行预处理后保存为图片，并通过网络发送到服务器；自动警报一一如某些特定区域读取到的电子标签ID号，且该人物不可进入此区域，系统将自动发送一条包含报警时间、报警地点的报警短信给该电子标签的持有人，并将画面信息和相关证据存入服务器；查询历史记录——根据特定条件，如：时间段、摄像头安装点、电子标签ID号、用户名等等进行有针对性的查询，调出历史记录或拷贝至移动设备。网络视频集成结构见图6。

6.防火报警系统

基于无线物联网zigBee技术的防火预警系统相对于传统的有线或人工预警监控系统效率高、施工复杂度低。这种防火报警系统由分布于校园多个局部监控系统和中央监控系统组成。局部监控系统包含协调器节点、传感器节点、计算机、报警设备和多层路由等。协调器节点与计算机相连，由路由节点对分布在校园有安全隐患场所配置传感器的子结点进行来回呼唤、检测数据，实现校园火灾隐患的早期报警。

传感器节点采用新型烟雾、温度或一氧化碳传感器，通过计算机控制系统对传感器信号进行实时监控，判断是否有火灾安全隐患，通过无线通信协议ZigBee把相关数据传给路由节点，由其汇总给协调器节点乃至计算机，从而实现无线网络化的校园防火报警系统。通过有线的方式将分散的局部防火报警系统连接起来，组建成整体的校园防火报警系统，并汇聚形成校园防火报警中央监控系统。一旦发生火灾，校园防火报警系统可以通过多种方式报警，准确地确定火灾发生的位置，可与消防部门联动，降低火灾损失。

7.图书借阅及餐饮消费等系统平台

在校园安全管理系统平台基础上，只要在例如图书馆、食堂等地安装读写器设备，并将学生，教师佩戴的RFID电子标签号与服务器数据库进行关联，同时配以所需的应用软件就可以实现所需的功能。

在餐饮方面，如果较早前的一卡通设备皆采用13.56MHz频段的HF设备，

只需要额外配备双频卡，900MHz+13.56MHz，或2.4GHz+13.56MHz即可联网。

四.模拟测试

依据本文的设计方案，在作者所在单位搭建3间教室、有70余名学生参与的智慧校园安全管理系统测试环境。在教室入口处模拟设置上学、下学门禁功能并兼作师生考勤；家长短信通知模拟发送给辅导员；一间教室模拟为危险区域自动报警；网络视频联网监控。通过收集半年的试运行数据，系统运行稳定，未出现意外故障，RFID检测正确率99%（由于个别学生持有的RFID卡失效造成漏读），短信通知发出率100%，能及时准确发出预警信息，参与模拟测试的师生对预设的功能实现非常满意，该系统提供的基础数据有利于安全和谐校园建设。后期将继续完善相关功能，逐步研究拓展智慧校园涵盖的范围和技术。

五.结束语

RFID技术能够有效增加校园安全的监控力度，拓宽校园安全监控范围，有力地促进智慧校园综合网络建设。通过校园门禁管理、短信平台、考勤管理、安全监控系统等平台应用，建设一个可视化的校园综合管理平台，实现全新的智能化校园。