基于RFID的學(xué)童輔助管理應(yīng)該如何去管理

0 引 言

目前，對學(xué)生的管理上，大多數(shù)學(xué)校還是以傳統(tǒng)的方法為主，例如視頻監(jiān)控、人員進出管理、廣播通知系統(tǒng)［1］。這些傳統(tǒng)方法在相關(guān)人員的參與下能起比較好的作用，但自動化程度低，管理起來費時費力;管理人員也容易因為疏忽而造成事故。針對以上問題，也有比較新的方法。如思科開發(fā)的綜合校園管理系統(tǒng)（結(jié)合門禁、視頻監(jiān)控、通訊系統(tǒng)、自動視頻分析）［2］，這種監(jiān)管系統(tǒng)是針對高校安全管理設(shè)計的，具有監(jiān)控范圍廣，而且成本高、技術(shù)復(fù)雜等特點，不適合在小范圍幼兒園或小學(xué)中應(yīng)用。2005年在日本橫濱，曾進行過利用RFID技術(shù)監(jiān)控學(xué)童從家到學(xué)校這段路途狀況的試驗［3］。這種使用RFID監(jiān)控學(xué)童在校外的試驗，應(yīng)該也能利用到校內(nèi)的輔助管理。鑒于此，本文根據(jù)中小學(xué)生以及幼兒園兒童的特點，設(shè)計了一套基于RFID標(biāo)簽的學(xué)童輔助管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了學(xué)童管理的自動化、智能化。

1 RFID技術(shù)

1.1 RFID介紹

RFID（radio frequency identification）是一種用于移動物體或移動物體之間的短距離數(shù)字通信技術(shù)［4］。RFID的特點通常是，通信的一端是一個簡單的設(shè)備，而另一端是一個更復(fù)雜一些的設(shè)備。簡單一點的設(shè)備（稱為標(biāo)簽或卡片）很小，通常制作成一張卡片，攜帶比較方便，能大量使用。標(biāo)簽可以使用電池或其他形式自身“攜帶”的能量，驅(qū)動內(nèi)部電路工作。這種標(biāo)簽稱為主動標(biāo)簽，一般通信距離在50 m以上，而其他形式的標(biāo)簽則為被動標(biāo)簽，工作距離在10 m以內(nèi)，工作時間視電池容量能工作2～5年。而復(fù)雜一點的設(shè)備（稱為基站、讀卡器或閱讀器）能力更強，有一定運算能力，可以連接到一臺主機上或接入網(wǎng)絡(luò)。無線通信的頻率范圍是100Hz～10GHz。

1.2 RFID定位

RFID技術(shù)利用無線電進行通信，所以RFID定位不失一般無線電定位的方法。定位的方法按定位原理不同，有到達時間信息定位（TOA和TDOA）、到達場強信息定位（RSSI）和到達角度信息定位（AOA）三大類［5］。例如，RFID室內(nèi)定位的一種實現(xiàn)方法是，利用多個閱讀器和多個標(biāo)簽根據(jù)環(huán)境分布在定位區(qū)域，通過分析待定位標(biāo)簽的RSSI“指紋”來計算標(biāo)簽的位置，精度可達1 m以內(nèi)，如M.Lionel Ni等人提出的LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)［6］。這些方法實際上都是通過測量距離來進行定位的，雖然可以獲取目標(biāo)坐標(biāo)，但定位成本相對較高，計算較為繁瑣。

在本系統(tǒng)中，并不要求知道定位目標(biāo)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，因此可以使用基于區(qū)域的定位方法［7］ （area localization scheme，ALS）。ALS是一種集中的無須測距的方法，它提供閱讀器節(jié)點分布的區(qū)域。ALS將定位網(wǎng)絡(luò)按地形劃分成不同的區(qū)域，每個閱讀器節(jié)點都以不同的靈敏度接收標(biāo)簽節(jié)點的廣播信標(biāo)信號，也就是說，在狹小的范圍內(nèi)，可以用低靈敏度接收信標(biāo)信號，而在廣闊的區(qū)域則要用高靈敏度來接收信標(biāo)信號。當(dāng)標(biāo)簽廣播信號被閱讀器節(jié)點監(jiān)聽到時，閱讀器記錄下標(biāo)簽的ID，并給上位主機發(fā)送信息，上位主機通過相關(guān)定位算法可以計算出標(biāo)簽節(jié)點所在的大概位置。這種方法屬于粗粒度定位方法，成本低，精度也低，無需復(fù)雜計算。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用2.4 GHz的有源RFID技術(shù)，在每個學(xué)生卡的內(nèi)部放置一個有源RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽會不斷向外播送信息（標(biāo)簽標(biāo)識信息——只有授權(quán)的閱讀器能識別這些信息），包括自身的編碼和狀態(tài)。接收到信息的閱讀器會將信息（標(biāo)簽信息和閱讀器信息）傳送給管理主機。學(xué)童從進入校園的那一刻起，系統(tǒng)就開始自動跟蹤學(xué)童，并記錄學(xué)童的行動軌跡。由這些信息，系統(tǒng)可以分析出學(xué)童離校、到校以及是否進入危險區(qū)域等狀況［8］，并根據(jù)可靈活定制的業(yè)務(wù)對這些狀況給家長發(fā)送通知、給保安發(fā)送警報等相應(yīng)的處理程序。系統(tǒng)還提供一個門戶網(wǎng)站，家長可以在網(wǎng)站查詢孩子的實時信息，與校方溝通;班主任可以查看本班的考勤和安全情況;領(lǐng)導(dǎo)可獲知本校安全和缺席情況;管理員可管理各類人員的權(quán)限、注冊人員信息、編寫校歷等。

2.2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前學(xué)校的實際情況和需求，經(jīng)過充分調(diào)查，根據(jù)先進性、經(jīng)濟性、實用性的原則定制了系統(tǒng)整體架構(gòu)。整個系統(tǒng)分為4個層次，從下到上分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)邏輯層和綜合表現(xiàn)層，圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

基礎(chǔ)設(shè)施包括系統(tǒng)所需硬件，如RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)，軟件包括操作系統(tǒng)、架設(shè)門戶網(wǎng)站用的服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、通信軟件、數(shù)據(jù)處理主程序。這一層為系統(tǒng)的運行提供軟硬件環(huán)境。數(shù)據(jù)資源層包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的人員信息、閱讀器信息、標(biāo)簽信息;監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲閱讀器上傳后分析處理完的數(shù)據(jù);業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲特定業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如考勤業(yè)務(wù)會定期生成班級、學(xué)校的統(tǒng)計數(shù)據(jù);管理數(shù)據(jù)存儲權(quán)限數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層包含7個子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)共享與交換子系統(tǒng)負(fù)責(zé)服務(wù)器與用戶之間的數(shù)據(jù)交換;其余6個子系統(tǒng)與綜合表現(xiàn)層的6個子模塊存在對應(yīng)關(guān)系，詳細(xì)情況在模塊設(shè)計中予以介紹。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)流 　　數(shù)據(jù)來源有兩個地方，首先是閱讀器上傳的數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)資源層的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量大，自動處理，是這部分?jǐn)?shù)據(jù)的特點。另一部分由門戶網(wǎng)站產(chǎn)生。本系統(tǒng)面向管理員的唯一入口點就是門戶網(wǎng)站，從這里管理著本系統(tǒng)運行的其他所有數(shù)據(jù)，即在數(shù)據(jù)資源層中，除監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外的所有數(shù)據(jù)都可以通過門戶網(wǎng)站管理。

圖2所示是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖，其中箭頭所指的方向表示數(shù)據(jù)流動的方向。

圖 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 閱讀器布設(shè)與通信

有源RFID信號具有一定的穿透能力，但物體對信號的也有很明顯的遮蔽效果，為了保證定位數(shù)據(jù)有效，應(yīng)允許閱讀器的覆蓋范圍比實際定位范圍稍大［9］。閱讀器靈敏度調(diào)高之后，閱讀器之間容易發(fā)生信號串?dāng)_，不應(yīng)該收到信號的閱讀器可能意外收到某個標(biāo)簽的信號，但根據(jù)信號的統(tǒng)計特性，當(dāng)一個標(biāo)簽的信號同時被多個閱讀器接收時，閱讀器與標(biāo)簽之間沒有遮擋的閱讀器收到信號的頻率會高于其他閱讀器。每個教室都安裝一個閱讀器，監(jiān)視上課出勤情況。危險區(qū)域，在入口處安裝一個閱讀器，監(jiān)視學(xué)童非法進入危險區(qū)域的情況。其他一些要監(jiān)視的區(qū)域也應(yīng)該安裝閱讀器。

另一個重要的問題是監(jiān)測進出校門的閱讀器布設(shè)。最容易實現(xiàn)進出判斷的情況是在一個狹長的通道中，通道的兩頭各安裝一個閱讀器。圖3所示是典型的校門閱讀器布設(shè)圖，其中虛線圓表示閱讀器的覆蓋范圍。此時，兩個閱讀器離得很近，這會導(dǎo)致信號串?dāng)_非常嚴(yán)重。兩個閱讀器雖然離得很近，但是只要兩個閱讀器之間保持一定距離，這段距離會使兩個閱讀器的覆蓋范圍有明顯差異。這時，當(dāng)某位學(xué)生從門外進入學(xué)校時，校門外的閱讀器就應(yīng)該先收到標(biāo)簽信號，進入校門后，最后一個收到信號的閱讀器就應(yīng)該是校門內(nèi)的閱讀器了。

圖 3 校門閱讀器布設(shè)圖

為了便于后期處理，本系統(tǒng)對閱讀器布設(shè)區(qū)域和不同用途的閱讀器進行邏輯劃分。對于每個定位區(qū)域，都給予一個區(qū)域編號，如校門編號為1，某某教室編號為2。閱讀器根據(jù)用途不同分為三類：第一類，兩個閱讀器結(jié)對工作的，如校門進出判斷，需要兩個閱讀器一塊才能工作;第二類，單個閱讀器且不在危險區(qū)域的，如教室;第三類，單個閱讀器且在危險區(qū)域內(nèi)的。有了這種邏輯分類以后，后面的數(shù)據(jù)處理邏輯就會比較簡單，運算速度也會有一定提高。

閱讀器的通信接口選擇RS485接口。這種標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可通信距離超過1 000 m，半雙工通信情況下，可以將多個設(shè)備串接到同一根總線上。當(dāng)連接到主機上時，要將接口轉(zhuǎn)換為RS232接口。

RS232接口也稱串口。閱讀器通信的參數(shù)設(shè)計如下：波特率9 600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無校驗。通信信息格式如表1所列。編碼方式采用的是ASCII碼。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)本系統(tǒng)的功能設(shè)計，給出了本系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲表的設(shè)計。由功能設(shè)計的三個表所存儲的數(shù)據(jù)如表2所列。

3.2.1 進出記錄

學(xué)童的進出記錄，每次進出都會在此表中插入一條記錄。包含如表3所列的卡號、時間和進或出三個字段。

3.2.2實時位置

學(xué)童的實時位置可在表中進行數(shù)據(jù)實時刷新，包含卡號、時間和區(qū)域編號。具體如表4所列。

3.2.3歷史位置

學(xué)童的活動軌跡亦包含在卡號、時間和區(qū)域編號中。具體設(shè)計與表4所列的實時位置表雷同。

3.3 功能模塊設(shè)計

為了便于對功能劃分與管理，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。所有功能模塊都是基于業(yè)務(wù)邏輯層的，與子系統(tǒng)對應(yīng)，包含獨立的功能，統(tǒng)一由門戶網(wǎng)站對外提供服務(wù)。具體的功能模塊設(shè)計如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)模塊設(shè)計圖

在人員信息模塊中，可查詢當(dāng)前已注冊的人員信息，以及其他的屬性。添加人員功能中，除了注冊必需的信息外，還要為人員分配角色。設(shè)備管理模塊中，只有標(biāo)簽的管理，沒有閱讀器的管理。閱讀器的安裝需要反復(fù)的調(diào)試，測試信號串?dāng)_和嚴(yán)重程序，而且閱讀器編號與地區(qū)編號還存在關(guān)聯(lián)，這需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能為系統(tǒng)添加閱讀器，因此門戶網(wǎng)站沒有提供這一功能。同理，也不會提供閱讀器刪除功能。在標(biāo)簽管理中，新買來標(biāo)簽要在此模塊中注冊，只有注冊過的標(biāo)簽才會被系統(tǒng)識別。模塊中還提供標(biāo)簽的啟用、停用和刪除功能。本系統(tǒng)中通知警報系統(tǒng)是用短信平臺的方式來實現(xiàn)的。短信平臺通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫指定的表來實現(xiàn)短信的收發(fā)，具體可分成三部分。被動發(fā)送負(fù)責(zé)與家長、老師之間的短信互動;定期發(fā)送負(fù)責(zé)考勤、安全信息的報告;警報信息負(fù)責(zé)即時信息的發(fā)送。在此模塊中，管理員應(yīng)該可以為不同角色、不同情況定義發(fā)送信息的模板。在短信警報模塊中，可以為相關(guān)人員定制考勤信息的發(fā)送，但發(fā)送的內(nèi)容比較簡單，詳細(xì)統(tǒng)計學(xué)?？记谛畔?、安全信息、學(xué)童一天內(nèi)的路徑回放。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)校園管理系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有自主性、全天候的特點。系統(tǒng)基于RFID技術(shù)的智能監(jiān)測手段，自動監(jiān)視無死角，主動采集并及時發(fā)布學(xué)童在校信息，保障了學(xué)童狀態(tài)的實時監(jiān)控;利用短信平臺作為通知發(fā)送和交流工具，及時跟蹤學(xué)童的同時實現(xiàn)了與家長的順暢交流，使信息真正發(fā)揮作用。因此，本系統(tǒng)在實現(xiàn)應(yīng)用中有一定的參考價值。目前，本系統(tǒng)智能化程序還較低，對現(xiàn)有管理設(shè)施利用較少，如果能對RFID的定位數(shù)據(jù)做一些情景分析，或者與現(xiàn)有的管理設(shè)備對接起來，本系統(tǒng)將能發(fā)揮更大的作用。

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