浅谈RFID技术及其在智能建筑中的应用

文｜中建（北京）国际设计顾问有限公司 王 娟

中国建筑设计研究院 王 琼

浅谈RFID技术及其在智能建筑中的应用

文｜中建（北京）国际设计顾问有限公司 王 娟

中国建筑设计研究院 王 琼

1 前言

随着物联网（Internet of things）被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，被写入“政府工作报告”之后，物联网在我国受到了全社会极大的关注。

作为物联网应用的关键技术，射频识别技术、无线传感网络技术以其产业带动能力强、转型提升作用大、拉动就业效果好、创新关联范围广等特点，赢得了世界各国的高度肯定。

深化RFID应用，推进RFID技术与无线传感网络技术融合与创新，促进“感知中国、感知世界”的全球物物互联的进程，对我国具有重要意义。

2 概述

射频识别即RFID（Radio Frequency Identification），又称电子标签、无线射频识别，是利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，是目前最先进的一项自动识别和数据采集应用技术，被公认为21世纪最具发展潜力的信息技术之一。

RFID系统通常由标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）组成。

标签由耦合元件及芯片组成，每个标签都具有唯一的电子编码，附着在物体上以标识目标对象。阅读器是读取或写入标签信息的设备，一般可设计为手持式或固定式。天线则是在标签和阅读器间传递射频信号的设备。

目前RFID产品的工作频率定义有低频、高频和超高频三种，不同频段的RFID产品有不同的特性，其中感应器有无源和有源两种形式：

◆ 有源RFID具备发射功率低、通信距离长、传输数据量大、可靠性高和兼容性好等特点，被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中；

◆ 无源RFID标签本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作，因结构简单、经济实用而获得了广泛的应用；在智能建筑中应用的RFID产品，大部分为无源产品。

3 RFID技术在智能建筑中的应用案例

3.1 基于RFID技术的资产在位监管系统

基于RFID技术的资产在位监管系统基于对“对象的管理”，主要用于涉密信息的管理对象（即涉密信息载体，分为纸制载体和电子载体）和应用对象（即接触、使用、保管涉密信息的人）的管理；将涉密目标与管理单元有机组合，通过管理链将其纳入到有效的管理之下。系统硬件架构如图1所示。

（1）系统主要功能

系统主要功能包括：

◆ 实时涉密载体监控功能；

◆ 载体涉密等级控制功能；

◆ 权限控制与实时查询功能；

◆ 区域定位功能；

◆ 监控报警功能；

◆ 管控规则定制功能；

◆ 载体使用记录和统计功能。

（2）系统组成

①电子载体监控系统

电子载体监控系统通过RFID技术控制存储介质的使用、携带，采用无线相互认证的方式防止存储介质被随意带出或丢落。监控对象包括内置RFID模块的保密移动存储介质，如保密U盘、保密移动硬盘，还包括带有监控标签的笔记本电脑。

系统的特点如下：

◆ 无线监控距离可达30m；

◆ 采用防破坏设计，一旦存储介质被强行拆开，将对信息自毁；

◆ 采用无线实时监测，可以在后台系统实时跟踪监控对象的轨迹；

◆ 具有无线锁功能，通过无线授权使用；

◆ 可监测U盘的使用位置；

◆ 可监测并控制U盘的使用状态；

◆ 监控对象在监控范围内为可用，超出监控范围为不可用；

◆ 采用有源RFID标签——内置电池，可粘贴在笔记本或其他资产表面，适用于笔记本等信息载体；

◆ 采用防拆除设计——标签采用粘贴的方式附着在设备上，一旦安装后即启动自检功能；如果被恶意拆除，能马上检测发现并发出报警信号给监控读写器；

◆ 具有低电告警功能，标签低电时监控读写器能收到告警信息，低电指示灯闪烁。

②纸制载体监控系统

对纸制载体的监控可采用监控文件柜的方式实现（可通过对现有文件柜进行改造实现）。

③监控读写器、门禁多媒体终端

采用专用加密协议的无线监控读写器外形新颖，吸顶式安装，可支持网络取电功能，能够实现无线自组网通信。

门禁多媒体终端集成触摸一体机、门禁读卡器、指纹识别仪、声音提示装置于一体，可在人员或涉密载体经过时查验其是否拥有授权。

④监控管理软件系统

软件系统分为用于对涉密信息的管理对象和应用对象进行管理的两部分。

（3）涉密信息载体管理

涉密信息载体管理包括以下内容：

◆ 登记与发放，即对涉密载体进行登记及发放，将其与使用人员绑定；

◆ 审批与授权，包括审批文件和介质外借、审批查询、跟踪文件和已批准查询，以及系统相关参数的设置；

◆ 进出监控，包括进出人员识别登记、进出文件识别登记，以及对人员与所持文件的对应权限匹配判断和根据判断结果，按照系统规则做出的相应的反应；可实现对文件和人员的位置状态、文件的携带情况、是否有违反管理规定的事件发生等的实时查询，并对整个过程进行记录；

◆ 轨迹跟踪管理，即查看载体历史移动轨迹，判断其使用的合法性。

（4）人员管理

人员管理的内容包括门禁管理、区域控制、访客管理。

3.2 基于RFID技术的保密柜档案盒监管系统

为了实现档案盒存储、借用过程的信息化管理，可在对档案存储柜内的档案盒，以及档案盒出入档案室的管理中引入RFID技术，实现对档案柜内档案盒的实时监管，以及档案盒出入档案室时的快速识别、事件预警及日志查询等，提升档案盒监控管理和人员管理的安全水平。图2为基于RFID技术的保密柜档案盒监管系统的拓扑图。

某档案室约50m2，并排安放11个档案柜，每个档案柜分7层5列，进深有一层隔断，共有70个档案放置单元格，每个单元格的尺寸为90cm（长）×30cm（高）×25cm（宽）。采用传统的管理方式，需要进行定期的盘点管理才能获知每个档案盒在档案柜内的具体位置。而采用RFID技术，可实现对档案盒的自动快速识别、区域位置提示和出入档案室提醒；通过系统应用软件，可实现图形化档案盒管理；同时可配置声、光、电等报警设备，实现档案盒的可视化实时监控和管理。

要实现档案盒的在位监管、快速识别和出入报警三项基本功能，通过应用软件实现对档案盒的存储单元格级别的监控和出入档案室管理，需要在所有档案盒上粘贴无源RFID标签，在每个存储单元格壁上安装RFID固定设备及天线，以达到档案盒数据的实时采集和可视化安全管理的要求。

（1）在位监管

通过系统应用软件，可实现档案盒位置信息的管理，档案盒放置位置变化的记录（可追踪到每个存储单元格内），并实现快速查找等功能。

档案盒的位置发生变化时，读写器通过实时快速识读档案盒上的标签采集数据，并将其及时上传；系统根据各读写器的位置来实现对档案盒位置变化的记录，并通过监控终端设备进行事件显示，从而实现对档案盒位置变化的追踪和记录。

天线的布置要根据现场的实际情况，包括标签的类型、标签的安装位置、标签在三维空间中可能出现的角度以及可布置天线的空间、周围的电磁场环境等进行设计。

（2）快速识别

档案盒放入档案柜内的存储格/被借用取走时，RFID读写设备可快速地采集到RFID标签的信息；系统即显示档案盒已在位/已离位，并可以显示预警信息和事件记录。RFID标签能够适应不同的设备材质，包括纸张、塑料、木材、金属等。

（3）出入报警

档案盒因被借阅而需要出入档案室，通过门禁处时，RFID读写设备可快速地采集到RFID标签的信息，显示档案盒出入，并能实现声光报警。

3.3 基于RFID的美术馆防盗报警及藏品管理系统

某省会美术馆是重点文物管理单位，馆藏文物的种类、数量都很多；文物管理部门的工作量很大，仅文物日常的盘点及查找就占用了大量精力。在国家对文物管理越来越重视的大环境下，进一步完善目前的文物管理系统，加大文物管理的力度，保证文物的安全和数据的可靠，尤其是加强对国家一、二级贵重文物和经常需要外出展览的文物的管理，已成为文物管理部门的重点工作。同时，在当前文物收藏热的背景下，文物普遍升值；对于文物保管单位，采用新技术控制文物仓库日常的人员进出，加强安全管理显得尤为必要。

为加强馆藏文物的管理力度，在文物盘点、查找和日常管理人员出入等关键环节上，引入先进的RFID技术，充分发挥其优势，构建起一个适应性更强、安全性更高、数据信息更准确的人员及文物管理系统。

系统在各展厅及藏品库房布署有定位监控的读写器，用于识别标签在展厅中的位置信息，并实时监控标签的在位或在馆情况，即实时获悉展品的位置信息和移动路线。

系统采用标签防拆除技术，如果定位监控标签遭到恶意拆除，能够立刻报警；同时可采用传感技术，通过标签内置的振动传感器监测到设备的非法移动并报警。

系统可实现一级文物和二级文物的精确查找功能，即当管理人员与要查找的某个或某些文物在特定的距离范围内时，文物上的标签能实时发送位置信号，以便管理人员准确定位。原则上考虑在文物上直接加装标签。而对于特殊文物，RFID标签不一定要求与其无缝联接；对于箱内文物则可以识别到箱体。

系统还具有文物的移动记录及报警功能，即能够对文物进入、离开房间进行记录，能够在文物于非授权状态下离开房间时自动报警。

3.4 基于RFID的人员定位系统

RFID人员定位系统通过远距离、非接触式采集电子标签的信息，实现对移动状态下的人员的自动识别，从而实现目标的自动化管理；是一种有效的人员自动识别和联网监管的重要科技手段，可应用于大型工厂、矿区及企业对访客的管理。

系统主要由数据采集、系统传输、监控管理三部分组成。

（1）数据采集部分

数据采集部分主要分为关键点和区域覆盖两类。

（2）数据传输部分

数据传输主要完成数据采集点与监控室之间的网络连接。

（3）监控管理部分

监控管理部分主要完成对上传数据的处理，提供完整的通行记录报告，生成考勤等统计报表，并实时监控人员进出状态。当人员非法进入或不按规定通道进出时，系统会自动报警。

对于需被定位的职工或访客，为其分发一个无源标签，标签内存储唯一的ID号作为其唯一的标识（对于职工，还可存储职工的简单情况，如姓名、职称、联系方式、所属部门等）。

在需要监管的部位安装固定读写器。要进入的持有标签的人员在通过门口时，读写器可自动识别标签（无需人员将标签拿到读写器前）。

系统可为不同部门的职工或前往某部门办事的访客的标签设定访问权限。设定权限后，人员只能进入权限允许的范围；若擅自进入非允许地段，读卡器会自动识别并发出报警提示。

另外，系统还可通过读卡器的记录，对人员进行区域定位。

3.5 RFID自助借还书系统

在新型图书馆中应用RFID技术已是目前图书馆领域的主流发展方向，国内多家公共图书馆、高校图书馆已借助新馆建设契机构建了新型的RFID智能图书馆系统，并取得了成功。

图书馆自动化、数字化是当今图书馆发展的主要方向。某省会图书馆为了完成回溯建库工作，实现流通自动化服务和全国文化信息资源共享，实现从传统图书馆到现代化图书馆的跃升，采用了RFID自助借还书系统。在RFID自助借还书系统的支持下，可全面开通自动化借阅管理系统和文献计算机查询系统，实行“一卡通”的读者服务。读者只需持一张小小的磁卡式借阅证，便可在全馆范围内享受借阅、阅览、查询、复印等服务。它的应用将改变过去读者到图书馆需携带若干证件的不便，以及手工查找目录、翻阅书架、检索图书的繁琐，使图书馆的服务水平得到质的飞跃。

以RFID中间件为媒介实现RFID技术和图书管理方法的有机结合，能够为图书馆的管理提供十分有效的技术手段，可识别、追踪和保护图书馆的所有资料。通过RFID系统实现图书借还、顺架、查找以及馆藏盘点等功能，能够有效地提高图书管理的效率、简化图书管理的流程、降低图书管理人员的劳动强度，并在为读者提供更加便利、快捷的图书借还、查询等服务的同时，做到对读者信息和借阅图书的双重记录。此外，RFID智能技术的使用还可以有效地防止和杜绝各种人为失误所造成的图书漏借、遗失等情况。

整个RFID图书馆系统由以下部分组成：

◆ RFID应用系统；

◆ RFID中间件；

◆ RFID智能标签；

◆ RFID硬件设备；

◆ 自助借还书系统设备；

◆ 馆外24小时自助还书系统设备；

◆ 馆员工作站设备；

◆ 馆员助理系统设备；

◆ 标签转换系统设备；

◆ 自助办证系统设备；

◆ 智能安全检测系统设备；

◆ 智能分拣系统设备；

◆ 书联网Mini智能终端系统设备（街区图书馆）。

建设RFID智能馆藏管理系统网络运行环境并部署相应的RFID设备，可实现：

◆ 简化借还书流程；

◆ 实现RFID智能检索、分拣，提高图书馆工作人员的工作满意度；

◆ 为读者提供24小时自助式服务，提高读者满意度。

原有的借还书流程虽然引入了条码扫描系统，但仍然需要人工打开图书扉页并找到条码位置，然后才能扫描条码；这样的操作流程仍然较为繁琐，借还书效率比较低。同时，条码扫描系统还存在条码容易破损，经常会发生无法识别条码、需要更换条码的缺点，不仅影响借还书的效率，还会影响读者对图书馆的满意程度。因此，需要引入RFID技术，采用RFID图书、CD标签，将通过红外线识读条码的方式改进为利用无线电波进行数字信号传送。RFID标签本身不容易被污染，而且标签读取速率可达20个标签/秒，较条码扫描平均两秒识别一条标签的读取速率有巨大的提升。RFID标签不易被污染，以及其读取的无障碍性（相对）、无方向性和高速性，是RFID图书馆系统区别于传统图书馆应用模式的最根本因素。

通过对图书馆管理系统的技术改造，可以采用RFID移动式、便携式馆员助理清点系统设备，对图书馆的每一个图书架也进行编码，并进行图书架与架上放置的图书的关联。如此，将可以实现图书的迅速准确的定位（通过对RFID标签的读取，可以在极短的时间内定位图书的所在位置），并进一步关联到图书馆系统，实现图书借阅状态的查询。同时，还可以图形的形式，提示馆员进行正确顺架、提示读者到达要借阅图书的位置。

应用RFID自动分拣技术，可以通过RFID标签识别读者归还的图书并对其进行预分类处理，即通过自动分拣，将读者归还的图书按类别放置在不同的书箱中。如此可以在图书上架的时候，简化图书挑选分类的流程，缩短图书上架的时间，加快图书中转速度。

以上应用，把繁琐的人对人的重复沟通交流工作交由RFID系统来实现，将极大提高图书馆的工作效率。

4 结束语

随着我国经济的高速发展，RFID技术已经以越来越多的形态应用于各行业的智能建筑中，并且在物流和供应管理、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、门禁控制/电子门票、道路自动收费、城市一卡通等众多领域也得到了广泛的应用。