基于RFID校園監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

季家亮

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、RFID等技術(shù)成熟發(fā)展，將這些技術(shù)成功在校園中安裝使用，不僅可以起到安全防范、有效震懾不法份子的作用，而且還可以滿足大量家長(zhǎng)的需要，家長(zhǎng)可以時(shí)刻關(guān)注孩子的一舉一動(dòng)，能及時(shí)與孩子進(jìn)行親情溝通，輔助孩子接受教育、快樂(lè)成長(zhǎng)。校園借助監(jiān)控系統(tǒng)加強(qiáng)管理上的安全防范措施，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)校競(jìng)爭(zhēng)力。該文即論述了借助現(xiàn)在成熟的技術(shù)，提出了基于RFID新型校園監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用架構(gòu)體系。

關(guān)鍵詞：RFID；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；視頻監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)視頻；智能手機(jī)視頻

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）22-0027-03

Abstract：With the development of science and technology， especially in the Internet， video surveillance， RFID and other technology mature development， the use of these technologies successfully at school can not only play a safe guard and effective deterrent the delinquents， but also to meet a lot of parents need， parents can always pay attention to the child's every move， can timely communication with the child， the child to accept education， grow up happy. The school use the monitoring system to strengthen safety management， improve teaching quality and schools competitiveness. The article discusses the use of mature technology， proposed the new application architecture of the monitoring system based on RFID.

Key words：RFID； Mobile Internet； video and surveillance； data collection； real-time video； smart-phone

隨著高科技的蓬勃發(fā)展和智能化產(chǎn)品在人們生活應(yīng)用上的推廣與普及，使得人們?cè)谧詣?dòng)識(shí)別、自動(dòng)控制、智能行為分析等方面不斷提出新的需求和新的應(yīng)用高度，正是在這計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相互結(jié)合、協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)上，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)也就順勢(shì)而起，得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇、機(jī)會(huì)和動(dòng)力。

學(xué)校是培養(yǎng)人才的場(chǎng)所，寄托著國(guó)家、社會(huì)和家庭的希望，特別是幼兒園學(xué)校的啟蒙教育，國(guó)家對(duì)教育的重視也逐年增加，家長(zhǎng)想讓自己的孩子盡早接受教育，而且因?yàn)槠綍r(shí)工作的繁忙，唯恐小孩無(wú)人看管，難以接受到良好的教育。因此，幼兒園、托兒所成為了家長(zhǎng)的首選。如何在無(wú)數(shù)的幼兒園中脫穎而出，不僅要靠完善的管理和師資力量，還要靠與小孩父母進(jìn)行及時(shí)的親情溝通，家長(zhǎng)也方便時(shí)刻關(guān)注小孩動(dòng)向、學(xué)校表現(xiàn)，輔助學(xué)校給予健康的教育和快樂(lè)的成長(zhǎng)。

本文即以幼兒園校園監(jiān)控系統(tǒng)為背景，借助先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有特色和創(chuàng)新價(jià)值意義的智能系統(tǒng)，進(jìn)而保障學(xué)生在校安全，提高幼兒園管理水平，增強(qiáng)學(xué)校與家長(zhǎng)的溝通。

1 核心技術(shù)概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，各種新技術(shù)更是雨后春筍層出不窮，由不穩(wěn)定漸漸走向成熟，由少為人知推向廣泛使用，這些新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用極大的推進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，帶來(lái)了極大的社會(huì)效應(yīng)。

1.1 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，就是將移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合起來(lái)，是互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、平臺(tái)、商業(yè)模式和應(yīng)用與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合并實(shí)踐的活動(dòng)的總稱，它將移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)這兩個(gè)發(fā)展最快、創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域連接在一起，并憑借數(shù)十億的用戶規(guī)模，正在開(kāi)辟信息通信業(yè)發(fā)展的新時(shí)代。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正逐漸滲透到人們生活、工作的各個(gè)領(lǐng)域，短信、移動(dòng)音樂(lè)、手機(jī)游戲、視頻應(yīng)用、手機(jī)支付、位置服務(wù)、各類應(yīng)用軟件等豐富多彩的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用迅猛發(fā)展，正在深刻改變信息時(shí)代的社會(huì)生活。

本系統(tǒng)中就借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，讓家長(zhǎng)在智能手機(jī)終端的視頻服務(wù)實(shí)時(shí)查看孩子在校園內(nèi)的一舉一動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)手機(jī)終端還可以接收學(xué)校、教師發(fā)過(guò)來(lái)的服務(wù)信息，與老師們進(jìn)行互動(dòng)和溝通。

1.2 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄登記五大部分組成。攝像機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線纜或者同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，控制主機(jī)再將視頻信號(hào)分配到各監(jiān)視器及錄像設(shè)備，同時(shí)可將需要傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)同步錄入到錄像機(jī)內(nèi)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，視頻監(jiān)控可以通過(guò)有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)把視頻信息以數(shù)字化的形式來(lái)進(jìn)行傳輸，并接入到統(tǒng)一的視頻服務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行管理，可將視頻信息進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，以不同的方式、速率傳輸?shù)浇K端設(shè)備上進(jìn)行展示，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控總體概述為一項(xiàng)集計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信以及視頻編解碼等多項(xiàng)高新技術(shù)的整合產(chǎn)品。

1.3 RFID基本原理

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。最基本的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器和用來(lái)傳遞射頻信號(hào)的天線組成。電子標(biāo)簽根據(jù)是否具有電源分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽，其工作的基本原理是由閱讀器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效的工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，電子標(biāo)簽被激活，向閱讀器發(fā)送信息，閱讀器收到信息后編碼，然后傳送給后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行相關(guān)的信息處理，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號(hào)控制閱讀器完成相應(yīng)的讀寫(xiě)操作，工作原理圖如下圖1所示：

1.4 消息推送服務(wù)

消息推送服務(wù)是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展下，衍生的新技術(shù)，是基于“Web廣播”通過(guò)一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，在互聯(lián)網(wǎng)上定期傳送特定用戶群體需要的信息來(lái)減少信息過(guò)載的一項(xiàng)新技術(shù)。它根據(jù)用戶的興趣來(lái)搜索、過(guò)濾信息，幫助用戶高效率地發(fā)掘有價(jià)值的信息。數(shù)據(jù)來(lái)源于與與服務(wù)器的交互，常用的消息推送有兩種方式：第一種是客戶端使用Pull（拉）的方式，就是隔一段時(shí)間就去服務(wù)器上獲取一下信息，看是否有新的數(shù)據(jù)更新；第二種就是服務(wù)器使用Push（推送）的方式，當(dāng)服務(wù)器端有新信息了，則把最新的信息Push到所需要的用戶終端上。

2 系統(tǒng)架構(gòu)體系設(shè)計(jì)

基于RFID校園監(jiān)控系統(tǒng)是為幼兒園每個(gè)學(xué)生配戴一個(gè)RFID的電子標(biāo)簽，當(dāng)學(xué)生經(jīng)過(guò)RFID閱讀器掃描區(qū)域時(shí)，采集到學(xué)生電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)計(jì)算匹配到周邊的攝像頭，調(diào)用監(jiān)控視頻平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)的視頻信號(hào)。系統(tǒng)利用RFID技術(shù)，在整體上架構(gòu)上將家長(zhǎng)、學(xué)生、監(jiān)控、智能終端融為一體，促使校園管理邁向智能化、信息化。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1）RFID模塊設(shè)計(jì)與選型

為滿足需求需在校園內(nèi)的操場(chǎng)、教室、走廊、樓梯、校園門(mén)口等等位置安裝RFID閱讀器，并且RFID設(shè)備間不相互干擾、掃描范圍可控且距離短、輻射低、易穿戴等特點(diǎn)，對(duì)RFID設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型由為重要。

本文選用的是2.4G有源閱讀器，因?yàn)?.4G是全球開(kāi)放的ISM微波頻段，無(wú)須申請(qǐng)和付費(fèi)，且功能極小，讀寫(xiě)時(shí)間極短，閱讀器掃描距離在2—10米之間，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景靈活調(diào)整，在防沖突方案上，采用可靠的頻分多址和時(shí)分多址設(shè)計(jì)，可同時(shí)識(shí)別200個(gè)以上不同的射頻識(shí)別卡。另外電子標(biāo)簽可根據(jù)實(shí)際穿戴需要，定制成微小的、漂亮的紐扣式，時(shí)刻穿戴在學(xué)生身上，同時(shí)還具備高抗干擾性、高度集成性和高安全性，為整個(gè)校園監(jiān)控系統(tǒng)的良好實(shí)施奠定一定的基礎(chǔ)。

2）網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控由攝像頭、傳輸網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)碼平臺(tái)組成，攝像頭目前市場(chǎng)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，滿足需求的廠家、選型種類很多，這里不詳做討論。在轉(zhuǎn)碼平臺(tái)上要求視頻的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)互轉(zhuǎn)，并且支持PC電腦上傳輸分辨率大、碼率大、清晰度高視頻，移動(dòng)終端相對(duì)低的信號(hào)輸出；支持?jǐn)z像頭的遠(yuǎn)程滾動(dòng)、拉進(jìn)、縮遠(yuǎn)、抓拍等操作；支持大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)、高并發(fā)的訪問(wèn)、歷史視頻的回放等技術(shù)問(wèn)題。

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)架構(gòu)是將C/S和B/S模式相結(jié)合的方式使用，其中C/S（Client/Server）模式，即客戶端/服務(wù)端模式，應(yīng)用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與交換處理；B/S（Brower/Server）模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式，應(yīng)用于PC電腦的Web瀏覽和智能手機(jī)的服務(wù)。

整個(gè)系統(tǒng)的是每個(gè)幼兒園內(nèi)部部署，先將采集數(shù)據(jù)在幼兒園存儲(chǔ)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步至電信機(jī)房，由機(jī)房部署存儲(chǔ)所有幼兒園的采集數(shù)據(jù)，并作為云服務(wù)平臺(tái)向各應(yīng)用業(yè)務(wù)軟件提供服務(wù)，為支持整個(gè)城市的幼兒園家長(zhǎng)使用，系統(tǒng)采用SOA體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示：

3 功能實(shí)現(xiàn)

基于RFID校園監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家長(zhǎng)在PC端或智能手機(jī)端登錄后，根據(jù)后臺(tái)的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系及算法處理，得到自己孩子目前所處在RFID閱讀器掃描區(qū)域內(nèi)的設(shè)備資源，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控調(diào)出設(shè)備資源的視頻監(jiān)控信號(hào)，將實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)接脩艚缑嫔?。家長(zhǎng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面了解孩子在校園的表現(xiàn)及受教育情況，并通過(guò)在線互動(dòng)功能與其它家長(zhǎng)、教師分享知識(shí)；學(xué)校也可以通過(guò)平臺(tái)向家長(zhǎng)發(fā)送注意事項(xiàng)、育兒知識(shí)、校園活動(dòng)等。該系統(tǒng)核心架構(gòu)模塊設(shè)計(jì)主要包括資源管理、數(shù)據(jù)采集與交換處理、多路視頻展現(xiàn)與自動(dòng)切換、信息互動(dòng)等模塊組成。

1）資源管理模塊

實(shí)現(xiàn)基于RFID設(shè)備對(duì)孩子監(jiān)控，要具有精確的設(shè)備提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，通過(guò)后臺(tái)的設(shè)備實(shí)體間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)業(yè)務(wù)關(guān)系的計(jì)算處理，得到需要的數(shù)據(jù)。突顯出業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的資源關(guān)系管理尤為重要，設(shè)備資源實(shí)體有：RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器、攝像頭等；業(yè)務(wù)實(shí)體有：家長(zhǎng)、幼兒園、班級(jí)、學(xué)生等。

在幼兒園場(chǎng)景下，每個(gè)門(mén)安裝一個(gè)RFID閱讀器，教室內(nèi)安裝一個(gè)攝像頭；操場(chǎng)安裝一個(gè)RFID閱讀器，大于等于一個(gè)攝像頭；校園門(mén)口安裝兩個(gè)RFID閱讀器（可判斷學(xué)生出入校園狀態(tài)），一個(gè)攝像頭等場(chǎng)景關(guān)系，將資源管理建立起一個(gè)學(xué)生對(duì)應(yīng)一個(gè)RFID電子標(biāo)簽；一個(gè)學(xué)生可對(duì)應(yīng)多個(gè)家長(zhǎng)；一個(gè)RFID閱讀器對(duì)應(yīng)多個(gè)攝像頭，一個(gè)攝像頭可關(guān)聯(lián)多個(gè)RFID閱讀器。資源管理的關(guān)聯(lián)建立與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)為整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，提供了業(yè)務(wù)架構(gòu)的服務(wù)。

2）數(shù)據(jù)采集與交換處理模塊

數(shù)據(jù)采集主要是RFID閱讀器掃描電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)畫(huà)面的采集，并將采集數(shù)據(jù)先臨時(shí)存儲(chǔ)在各幼兒園本地，再實(shí)時(shí)同步至電信中心機(jī)房。在設(shè)計(jì)上數(shù)據(jù)采集是利用設(shè)備廠家提供的服務(wù)接口，與SOA框架的服務(wù)接口同步，實(shí)時(shí)將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在平臺(tái)服務(wù)器。

數(shù)據(jù)交換處理提供各子系統(tǒng)接入的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)和各信息系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，以統(tǒng)一的接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)審核等，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)查詢等。各幼兒園的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范處理后，實(shí)時(shí)同步至電信機(jī)房的云服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心，各PC終端、移動(dòng)終端均從云服務(wù)平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3）多路視頻展現(xiàn)與自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)

實(shí)際場(chǎng)景中孩子是在不斷移動(dòng)的，會(huì)從這個(gè)區(qū)域到達(dá)另一個(gè)區(qū)域，從這個(gè)教室轉(zhuǎn)到另一個(gè)教室，家長(zhǎng)看到的實(shí)時(shí)視頻也需要根據(jù)孩子的移動(dòng)自動(dòng)識(shí)別監(jiān)控視頻、自動(dòng)切換，確保孩子在監(jiān)控畫(huà)面中不消失。主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：定時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)推送，定時(shí)檢測(cè)是PC端或者移動(dòng)端定時(shí)從服務(wù)器上檢測(cè)RFID采集的數(shù)據(jù)是否存在變化，如變化就從服務(wù)器上獲取最新的監(jiān)控視頻畫(huà)面，更新PC端、移動(dòng)端界面；自動(dòng)推送是當(dāng)有家長(zhǎng)訪問(wèn)孩子的監(jiān)控視頻時(shí)，服務(wù)器端運(yùn)行監(jiān)聽(tīng)器，計(jì)算RFID采集數(shù)據(jù)是否變化，如變化，服務(wù)器端主動(dòng)將最近監(jiān)控畫(huà)出推送到客戶端。

4）信息推送服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代也促進(jìn)了信息的傳遞，利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、分享也變的異常容易。家長(zhǎng)可利用智能手機(jī)接收校園信息的推送服務(wù)，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上利用百度云推送服務(wù)，服務(wù)器端主動(dòng)利用百度云服務(wù)接口將信息推送到智能手機(jī)的移動(dòng)設(shè)備上，這樣家長(zhǎng)可以訂閱服務(wù)查收到推送的信息數(shù)據(jù)，并在平臺(tái)上反饋與校園、教師間保持良好的互動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于RFID校園監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是互聯(lián)網(wǎng)模式下應(yīng)用的創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控與互動(dòng)模式，系統(tǒng)的實(shí)施對(duì)于家長(zhǎng)解除了后顧之優(yōu)，減輕家長(zhǎng)的精神負(fù)擔(dān)，對(duì)于幼兒園確保了孩子的安全，提升校園的形象，節(jié)約了大量人力物力，調(diào)查的人群中均認(rèn)可該方案的實(shí)施，并且系統(tǒng)已經(jīng)在試點(diǎn)的幼兒園開(kāi)始試用，經(jīng)測(cè)試，其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

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