超高频RFID的智慧校园安全出入系统设计

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(延边大学 工学院，延吉 133002)

引 言

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)原理，实现非接触信息传递和目标识别的技术。RFID 系统按工作频段的不同，可分为低频、高频、超高频(Ultra High Frequency，UHF)和微波系统。与低频RFID 技术相比，超高频RFID 技术具有识别距离远、高速读取等优势。RFID技术作为构建“物联网”的关键技术，近年来颇受人们关注。它利用无线射频信号进行非接触式双向通信，无需人为干预，因此可应用于各种不宜人工操作的环境[1-2]。

物联网技术的迅猛发展给社会各界尤其是教育界带来了深刻的影响，各个学校为了提高管理水平纷纷求助于现代信息技术手段[3]。校讯通系统采用RFID技术，在一定程度上解决了学生考勤和通知家长学生上学、放学情况的问题。在校园安全方面起到了不可小觑的作用。参考文献[4]采用RFID技术代替接触式刷卡技术并通过GPRS模块发送短信，但会产生一定的短信费用。参考文献[5]中提出了采用超高频RFID技术，实现了远距离自动识别标签的功能，但是依然无法进行学生出入校判断。本文针对这一现状，提出了结合超高频RFID、视频技术和微信公众平台的校园安全出入系统，实现自动快速识别出入校的功能，同时采用视频的形式让家长确认是学生本人，且不产生额外通信费用。

1 系统架构

本校园安全出入系统主要由数据采集器和信息处理服务器组成。数据采集器由电子标签、超高频RFID读写器、接收天线、电子标签信息采集模块4部分组成；信息处理服务器又分为数据管理模块、视频处理模块和微信公众平台模块三部分。数据采集端的超高频RFID读写器可实现通过远距离感应读卡的数据交互方式，学生只需步行通过校门即可，无需排队刷卡进出学校；数据管理模块主要负责与数据采集器进行通信获取数据；视频处理模块采用P2P网络摄像头采集传输来的网络视频流并解码，然后按时间顺序进行保存，根据学生出入校的时间进行视频截取；微信公众平台实现将小视频发送到家长微信客户端的功能，让家长可以通过微信免费收取消息，查看学生出入校门视频，确认学生上学、放学安全。本设计的系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

数据采集器是以ARM11微处理器为核心的开发板，利用RFID读写器采集标签信息。电子标签选用ALEIN公司生产的Higgs-3型RFID卡，RFID读写器芯片采用Indy R2000射频芯片，具有集成度高、效率高、功耗低的特点，支持840～960 MHz全频段。与读写器匹配的接收天线选用工作频率范围为902～928 MHz的、防水和抗风能力强的圆极化天线。

2 系统功能实现

2.1 数据采集模块

图2 天线安装示意图

学生携带的RFID标签经过天线识别区域时，由读写器识别并将标签信息发送给后台信息处理服务器。数据采集器按照超高频RFID串行接口通信协议定义的格式要求向读写器发送命令，并等待读写器返回标签信息，实现数据的交互。为了判断学生是进校门还是出校门，分别在校门外和校门内安装天线，如图2(俯视图)所示。设time1、time2分别为天线1、天线2读取标签的时间，当学生持卡进入学校时，天线1先识别到，天线2后识别到；当学生持卡离开学校时，天线2先识别到，天线1后识别到。因此，如果time2-time1>0，则状态为入校；否则，为出校。

2.2 数据管理模块

数据管理采用轻量级SQLite数据库管理系统，数据模块的主要功能是确定学生是入校还是出校。需建立学生考勤表，包括RFID卡号，天线1、2识别标签的时间time1和time2以及学生出入校状态。天线1、天线2分别识别RFID卡后，会向考勤表插入记录，分别提供所识别的卡号及识别时间。状态的确定利用考勤表的INSERT BEFORE触发器实现，考勤表插入触发器的实现流程如图3所示。

2.3 视频处理模块

图3 考勤表插入触发器的实现流程

采用DirectShow架构来解决视频流的接收和解码问题。利用Filter源过滤器接收来自Socket的视频数据，选择解码速度较快的ffmpeglibavcodec作为解码器。为了准确发送每个学生出入校视频，建立DES(DirectShow Editing Service)时间线模型，调用时间接线口IAMTimeline，遵循时间线的结构模型，定义实际所需的属性和函数，并创建出时间线对象。其中包括组(Group)、集合(Composition)、轨道(Track)和媒体源(Source)，在组中加入轨道实现视频的截取。

当确定学生入校时，time1前5 s作为开始时间，time2后5 s作为结束时间，从视频文件中截取相应时间段视频，发送给学生家长的微信客户端，以此保证视频文件中包含该学生的影视数据。如果是出校状态，则将time2前5 s作为开始时间，time1后5 s作为结束时间。

把截取的视频发送给对应学生家长的微信账号，分上传视频文件、发送视频消息两个步骤完成。上传临时素材文件接口的Https请求方式为 POST，参数有调用接口凭证、媒体文件类型和媒体文件标识3个；调用发送视频消息接口的Https请求方式同样使用POST，参数只有access_token，其数据包格式为JSON。

2.4 RFID防碰撞算法

识别RFID标签时，可能会发生标签信息碰撞的问题，尤其在标签密集型RFID应用系统中，如中小学生上学、放学，读写器使用的防碰撞算法性能的优劣，将直接决定读写器标签的识别速率，进而影响整个系统的性能。本设计采用防碰撞Q算法，在识别过程中标签的状态有三种，分别是仲裁状态、应答状态和确认状态。

防碰撞Q算法的基本处理过程如下，算法执行过程如图4所示。

图4 防碰撞Q算法执行过程

① 读写器发送Query命令给识别范围内的所有标签。

② 标签在 [0，2Q-1]中随机挑选一个数，并将该数载入时隙计数器。

③ 计数器中值为0的标签立刻回复一个状态信号给读写器，并对读写器进行应答。若计数器为非0的标签，每次接收到Query Rep命令，计数器的值减1。

当有两个以上的标签对读写器进行应答时就会发生碰撞。读写器会发出Query Rep指令，将发生碰撞标签的时隙计数器的值从0000h减到7FFFh，直至读写器发送Query Adjust命令调整Q值，使碰撞过的标签生成新的随机数。该算法具有运算量低、快速获取最优解的优点，提高了防碰撞的效率。

3 测试与结果

本设计测试主要通过RFID读写器获取学生出入校的时间和信息，通过向考勤表插入学生信息寻找学生家长微信账号，根据出入校的时间截取上传视频文件并发送至家长微信客户端。

5天内在100名学生上学、放学期间分别进行出入校门测试，分为高峰期和非高峰期，非高峰期成功识别率为100%，然而在高峰期标签识别平均成功率为99.8%。识别失败的原因是标签被遮挡未被识别，可以采用人工确认的方法弥补，数据解析及数据传输部分成功率都为100%。系统的测试结果如表1所列。

表1 系统测试结果

结 语

[1] 张永波.RFID技术在“智慧校园”中的应用[J]. 软件导刊, 2011, 10(5): 132-134.

[2] 黄峥,古鹏.基于RFID的应用系统研究[J]. 计算机应用与软件, 2011, 22(6): 122.

[3] 李悦.基于RFID的中小学校园安全管理平台设计与实现[D]. 厦门：厦门大学， 2014: 14.

[4] 王大卓，孙玲玲，蔡鹏鹏.一种便携式超高频RFID读写器的设计[J].杭州电子科技大学学报，2010(5)：33-36.

[5] 刘肖雷.基于超高频 RFID 技术的校园签到系统的设计[D].鞍山：辽宁科技大学， 2012:5.

李睿(硕士研究生)、金华(副教授)，主要研究领域为嵌入式系统应用。