基于RFID的學(xué)童輔助管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

目前，對(duì)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(jìn)出管理、廣播通知系統(tǒng)％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(dòng)化程度低，管理起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力；管理人員也容易因?yàn)槭韬龆斐墒鹿?。針?duì)以上問(wèn)題，也有比較新的方法。如思科開(kāi)發(fā)的綜合校園管理系統(tǒng)（結(jié)合門(mén)禁、視頻監(jiān)控、通訊系統(tǒng)、自動(dòng)視頻分析）［2］，這種監(jiān)管系統(tǒng)是針對(duì)高校安全管理設(shè)計(jì)的，具有監(jiān)控范圍廣，而且成本高、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，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(jìn)行過(guò)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(yàn)［3］。這種使用RFID監(jiān)控學(xué)童在校外的試驗(yàn)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于RFID標(biāo)簽的學(xué)童輔助管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)童管理的自動(dòng)化、智能化。

1RFID技術(shù)

RFID介紹

RFID（radiofrequencyidentification）是一種用于移動(dòng)物體或移動(dòng)物體之間的短距離數(shù)字通信技術(shù)叫RFID的特點(diǎn)通常是，通信的一端是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備，而另一端是一個(gè)更復(fù)雜一些的設(shè)備。簡(jiǎn)單一點(diǎn)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(dòng)內(nèi)部電路工作。這種標(biāo)簽稱為主動(dòng)標(biāo)簽，一般通信距離在50m以上，而其他形式的標(biāo)簽則為被動(dòng)標(biāo)簽，工作距離在10m以內(nèi)，工作時(shí)間視電池容量能工作2~5年。而復(fù)雜一點(diǎn)的設(shè)備（稱為基站、讀卡器或閱讀器）能力更強(qiáng)，有一定運(yùn)算能力，可以連接到一臺(tái)主機(jī)上或接入網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線通信的頻率范圍是100Hz?10GHz。

RFID定位

RFID技術(shù)利用無(wú)線電進(jìn)行通信，所以RFID定位不失一般無(wú)線電定位的方法。定位的方法按定位原理不同，有到達(dá)時(shí)間信息定位（TOA和TDOA）、到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)信息定位（RSSI）和到達(dá)角度信息定位(AOA)三大類叫例如，RFID室內(nèi)定位的一種實(shí)現(xiàn)方法是，利用多個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽根據(jù)環(huán)境分布在定位區(qū)域，通過(guò)分析待定位標(biāo)簽的RSSI“指紋”來(lái)計(jì)算標(biāo)簽的位置，精度可達(dá)1m以內(nèi)，如M.LionelNi等人提出的LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)E這些方法實(shí)際上都是通過(guò)測(cè)量距離來(lái)進(jìn)行定位的，雖然可以獲取目標(biāo)坐標(biāo)，但定位成本相對(duì)較高，計(jì)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］(arealocalizationscheme，ALS)。ALS是一種集中的無(wú)須測(cè)距的方法，它提供閱讀器節(jié)點(diǎn)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(gè)閱讀器節(jié)點(diǎn)都以不同的靈敏度接收標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的廣播信標(biāo)信號(hào)，也就是說(shuō)，在狹小的范圍內(nèi)，可以用低靈敏度接收信標(biāo)信號(hào)，而在廣闊的區(qū)域則要用高靈敏度來(lái)接收信標(biāo)信號(hào)。當(dāng)標(biāo)簽廣播信號(hào)被閱讀器節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到時(shí)，閱讀器記錄下標(biāo)簽的ID,并給上位主機(jī)發(fā)送信息，上位主機(jī)通過(guò)相關(guān)定位算法可以計(jì)算出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)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(wú)需復(fù)雜計(jì)算。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用2.4GHz的有源RFID技術(shù)，在每個(gè)學(xué)生卡的內(nèi)部放置一個(gè)有源RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽會(huì)不斷向外播送信息(標(biāo)簽標(biāo)識(shí)信息一只有授權(quán)的閱讀器能識(shí)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(huì)將信息(標(biāo)簽信息和閱讀器信息)傳送給管理主機(jī)。學(xué)童從進(jìn)入校園的那一刻起，系統(tǒng)就開(kāi)始自動(dòng)跟蹤學(xué)童，并記錄學(xué)童的行動(dòng)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(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域等狀況［8］，并根據(jù)可靈活定制的業(yè)務(wù)對(duì)這些狀況給家長(zhǎng)發(fā)送通知、給保安發(fā)送警報(bào)等相應(yīng)的處理程序。系統(tǒng)還提供一個(gè)門(mén)戶網(wǎng)站，家長(zhǎng)可以在網(wǎng)站查詢孩子的實(shí)時(shí)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(cè)人員信息、編寫(xiě)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(shí)際情況和需求，經(jīng)過(guò)充分調(diào)查,根據(jù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性的原則定制了系統(tǒng)整體架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)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(mén)戶網(wǎng)站用的服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、通信軟件、數(shù)據(jù)處理主程序。這一層為系統(tǒng)的運(yùn)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)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的人員信息、閱讀器信息、標(biāo)簽信息；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)特定業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如考勤業(yè)務(wù)會(huì)定期生成班級(jí)、學(xué)校的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(gè)子系統(tǒng)與綜合表現(xiàn)層的6個(gè)子模塊存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳細(xì)情況在模塊設(shè)計(jì)中予以介紹。

2.3數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)來(lái)源有兩個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量大，自動(dòng)處理，是這部分?jǐn)?shù)據(jù)的特點(diǎn)。另一部分由門(mén)戶網(wǎng)站產(chǎn)生。本系統(tǒng)面向管理員的唯一入口點(diǎn)就是門(mén)戶網(wǎng)站，從這里管理著本系統(tǒng)運(yùn)行的其他所有數(shù)據(jù)，即在數(shù)據(jù)資源層中，除監(jiān)測(cè)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(guò)門(mén)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(dòng)的方向。

圖2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1閱讀器布設(shè)與通信

有源RFID信號(hào)具有一定的穿透能力，但物體對(duì)信號(hào)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(shí)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(hào)串?dāng)_，不應(yīng)該收到信號(hào)的閱讀器可能意外收到某個(gè)標(biāo)簽的信號(hào)，但根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性,當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽的信號(hào)同時(shí)被多個(gè)閱讀器接收時(shí)，閱讀器與標(biāo)簽之間沒(méi)有遮擋的閱讀器收到信號(hào)的頻率會(huì)高于其他閱讀器。每個(gè)教室都安裝一個(gè)閱讀器，監(jiān)視上課出勤情況。危險(xiǎn)區(qū)域,在入口處安裝一個(gè)閱讀器，監(jiān)視學(xué)童非法進(jìn)入危險(xiǎn)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(gè)重要的問(wèn)題是監(jiān)測(cè)進(jìn)出校門(mén)的閱讀器布設(shè)。最容易實(shí)現(xiàn)進(jìn)出判斷的情況是在一個(gè)狹長(zhǎng)的通道中，通道的兩頭各安裝一個(gè)閱讀器。圖3所示是典型的校門(mén)閱讀器布設(shè)圖，其中虛線圓表示閱讀器的覆蓋范圍。此時(shí)，兩個(gè)閱讀器離得很近，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_非常嚴(yán)重。兩個(gè)閱讀器雖然離得很近,但是只要兩個(gè)閱讀器之間保持一定距離，這段距離會(huì)使兩個(gè)閱讀器的覆蓋范圍有明顯差異。這時(shí)，當(dāng)某位學(xué)生從門(mén)外進(jìn)入學(xué)校時(shí)，校門(mén)外的閱讀器就應(yīng)該先收到標(biāo)簽信號(hào)，進(jìn)入校門(mén)后，最后一個(gè)收到信號(hào)的閱讀器就應(yīng)該是校門(mén)內(nèi)的閱讀器了。

圖3校門(mén)閱讀器布設(shè)圖

為了便于后期處理，本系統(tǒng)對(duì)閱讀器布設(shè)區(qū)域和不同用途的閱讀器進(jìn)行邏輯劃分。對(duì)于每個(gè)定位區(qū)域，都給予一個(gè)區(qū)域編號(hào)，如校門(mén)編號(hào)為1，某某教室編號(hào)為2。閱讀器根據(jù)用途不同分為三類:第一類，兩個(gè)閱讀器結(jié)對(duì)工作的，如校門(mén)進(jìn)出判斷，需要兩個(gè)閱讀器一塊才能工作；第二類，單個(gè)閱讀器且不在危險(xiǎn)區(qū)域的，如教室；第三類，單個(gè)閱讀器且在危險(xiǎn)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(huì)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度也會(huì)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(guò)1000m，半雙工通信情況下，可以將多個(gè)設(shè)備串接到同一根總線上。當(dāng)連接到主機(jī)上時(shí)，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(jì)如下：波特率9600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。通信信息格式如表1所列。編碼方式采用的是ASCII碼。

表1閱讀器通信格式

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，給出了本系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表

的設(shè)計(jì)。由功能設(shè)計(jì)的三個(gè)表所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)如表2所列。

表2關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表

3.2.1進(jìn)出記錄

學(xué)童的進(jìn)出記錄，每次進(jìn)出都會(huì)在此表中插入一條記錄。包含如表3所列的卡號(hào)、時(shí)間和進(jìn)或出三個(gè)字段。

表3TrackLog表

3.2.2實(shí)時(shí)位置

學(xué)童的實(shí)時(shí)位置可在表中進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新，包含卡號(hào)、時(shí)間和區(qū)域編號(hào)。具體如表4所列。

表4RealTimeLoc表

3.2.3歷史位置

學(xué)童的活動(dòng)軌跡亦包含在卡號(hào)、時(shí)間和區(qū)域編號(hào)中。具體設(shè)計(jì)與表4所列的實(shí)時(shí)位置表雷同。

3.3功能模塊設(shè)計(jì)

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

圖4系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖

在人員信息模塊中，可查詢當(dāng)前已注冊(cè)的人員信息，以及其他的屬性。添加人員功能中，除了注冊(cè)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(méi)有閱讀器的管理。閱讀器的安裝需要反復(fù)的調(diào)試，測(cè)試信號(hào)串?dāng)_和嚴(yán)重程序，而且閱讀器編號(hào)與地區(qū)編號(hào)還存在關(guān)聯(lián)，這需要經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人員才能為系統(tǒng)添加閱讀器，因此門(mén)戶網(wǎng)站沒(méi)有提供這一功能。同理，也不會(huì)提供閱讀器刪除功能。在標(biāo)簽管理中，新買(mǎi)來(lái)標(biāo)簽要在此模塊中注冊(cè)，只有注冊(cè)過(guò)的標(biāo)簽才會(huì)被系統(tǒng)識(shí)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(bào)系統(tǒng)是用短信平臺(tái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。短信平臺(tái)通過(guò)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)指定的表來(lái)實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā),具體可分成三部分。被動(dòng)發(fā)送負(fù)責(zé)與家長(zhǎng)、老師之間的短信互動(dòng)；定期發(fā)送負(fù)責(zé)考勤、安全信息的報(bào)告;警報(bào)信息負(fù)責(zé)即時(shí)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(bào)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(jiǎn)單，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)學(xué)校考勤信息、安全信息、學(xué)童一天內(nèi)的路徑回放。

4結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)。系統(tǒng)基于RFID技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)手段，自動(dòng)監(jiān)視無(wú)死角，主動(dòng)采集并及時(shí)發(fā)布學(xué)童在校信息，保障了學(xué)童狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；利用短信平臺(tái)作為通知發(fā)送和交流工具，及時(shí)跟蹤學(xué)童的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與家長(zhǎng)的順暢交流，使信息真正發(fā)揮作用。因此，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中有一定的參考價(jià)值。目前，本系統(tǒng)智能化程序還較低，對(duì)現(xiàn)有管理設(shè)施利用較少，如果能對(duì)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(duì)接起來(lái)，本系統(tǒng)將能發(fā)揮更大的作用。

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