超高頻RFID的智慧校園安全出入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(延邊大學(xué) 工學(xué)院，延吉 133002)

引 言

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用射頻信號(hào)，通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))原理，實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞和目標(biāo)識(shí)別的技術(shù)。RFID 系統(tǒng)按工作頻段的不同，可分為低頻、高頻、超高頻(Ultra High Frequency，UHF)和微波系統(tǒng)。與低頻RFID 技術(shù)相比，超高頻RFID 技術(shù)具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、高速讀取等優(yōu)勢(shì)。RFID技術(shù)作為構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)頗受人們關(guān)注。它利用無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信，無(wú)需人為干預(yù)，因此可應(yīng)用于各種不宜人工操作的環(huán)境[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展給社會(huì)各界尤其是教育界帶來(lái)了深刻的影響，各個(gè)學(xué)校為了提高管理水平紛紛求助于現(xiàn)代信息技術(shù)手段[3]。校訊通系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，在一定程度上解決了學(xué)生考勤和通知家長(zhǎng)學(xué)生上學(xué)、放學(xué)情況的問(wèn)題。在校園安全方面起到了不可小覷的作用。參考文獻(xiàn)[4]采用RFID技術(shù)代替接觸式刷卡技術(shù)并通過(guò)GPRS模塊發(fā)送短信，但會(huì)產(chǎn)生一定的短信費(fèi)用。參考文獻(xiàn)[5]中提出了采用超高頻RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽的功能，但是依然無(wú)法進(jìn)行學(xué)生出入校判斷。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了結(jié)合超高頻RFID、視頻技術(shù)和微信公眾平臺(tái)的校園安全出入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速識(shí)別出入校的功能，同時(shí)采用視頻的形式讓家長(zhǎng)確認(rèn)是學(xué)生本人，且不產(chǎn)生額外通信費(fèi)用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本校園安全出入系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器和信息處理服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)采集器由電子標(biāo)簽、超高頻RFID讀寫(xiě)器、接收天線(xiàn)、電子標(biāo)簽信息采集模塊4部分組成；信息處理服務(wù)器又分為數(shù)據(jù)管理模塊、視頻處理模塊和微信公眾平臺(tái)模塊三部分。數(shù)據(jù)采集端的超高頻RFID讀寫(xiě)器可實(shí)現(xiàn)通過(guò)遠(yuǎn)距離感應(yīng)讀卡的數(shù)據(jù)交互方式，學(xué)生只需步行通過(guò)校門(mén)即可，無(wú)需排隊(duì)刷卡進(jìn)出學(xué)校；數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信獲取數(shù)據(jù)；視頻處理模塊采用P2P網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集傳輸來(lái)的網(wǎng)絡(luò)視頻流并解碼，然后按時(shí)間順序進(jìn)行保存，根據(jù)學(xué)生出入校的時(shí)間進(jìn)行視頻截取；微信公眾平臺(tái)實(shí)現(xiàn)將小視頻發(fā)送到家長(zhǎng)微信客戶(hù)端的功能，讓家長(zhǎng)可以通過(guò)微信免費(fèi)收取消息，查看學(xué)生出入校門(mén)視頻，確認(rèn)學(xué)生上學(xué)、放學(xué)安全。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集器是以ARM11微處理器為核心的開(kāi)發(fā)板，利用RFID讀寫(xiě)器采集標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽選用ALEIN公司生產(chǎn)的Higgs-3型RFID卡，RFID讀寫(xiě)器芯片采用Indy R2000射頻芯片，具有集成度高、效率高、功耗低的特點(diǎn)，支持840～960 MHz全頻段。與讀寫(xiě)器匹配的接收天線(xiàn)選用工作頻率范圍為902～928 MHz的、防水和抗風(fēng)能力強(qiáng)的圓極化天線(xiàn)。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

圖2 天線(xiàn)安裝示意圖

學(xué)生攜帶的RFID標(biāo)簽經(jīng)過(guò)天線(xiàn)識(shí)別區(qū)域時(shí)，由讀寫(xiě)器識(shí)別并將標(biāo)簽信息發(fā)送給后臺(tái)信息處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集器按照超高頻RFID串行接口通信協(xié)議定義的格式要求向讀寫(xiě)器發(fā)送命令，并等待讀寫(xiě)器返回標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。為了判斷學(xué)生是進(jìn)校門(mén)還是出校門(mén)，分別在校門(mén)外和校門(mén)內(nèi)安裝天線(xiàn)，如圖2(俯視圖)所示。設(shè)time1、time2分別為天線(xiàn)1、天線(xiàn)2讀取標(biāo)簽的時(shí)間，當(dāng)學(xué)生持卡進(jìn)入學(xué)校時(shí)，天線(xiàn)1先識(shí)別到，天線(xiàn)2后識(shí)別到；當(dāng)學(xué)生持卡離開(kāi)學(xué)校時(shí)，天線(xiàn)2先識(shí)別到，天線(xiàn)1后識(shí)別到。因此，如果time2-time1>0，則狀態(tài)為入校；否則，為出校。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理采用輕量級(jí)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)模塊的主要功能是確定學(xué)生是入校還是出校。需建立學(xué)生考勤表，包括RFID卡號(hào)，天線(xiàn)1、2識(shí)別標(biāo)簽的時(shí)間time1和time2以及學(xué)生出入校狀態(tài)。天線(xiàn)1、天線(xiàn)2分別識(shí)別RFID卡后，會(huì)向考勤表插入記錄，分別提供所識(shí)別的卡號(hào)及識(shí)別時(shí)間。狀態(tài)的確定利用考勤表的INSERT BEFORE觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，考勤表插入觸發(fā)器的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

2.3 視頻處理模塊

圖3 考勤表插入觸發(fā)器的實(shí)現(xiàn)流程

采用DirectShow架構(gòu)來(lái)解決視頻流的接收和解碼問(wèn)題。利用Filter源過(guò)濾器接收來(lái)自Socket的視頻數(shù)據(jù)，選擇解碼速度較快的ffmpeglibavcodec作為解碼器。為了準(zhǔn)確發(fā)送每個(gè)學(xué)生出入校視頻，建立DES(DirectShow Editing Service)時(shí)間線(xiàn)模型，調(diào)用時(shí)間接線(xiàn)口IAMTimeline，遵循時(shí)間線(xiàn)的結(jié)構(gòu)模型，定義實(shí)際所需的屬性和函數(shù)，并創(chuàng)建出時(shí)間線(xiàn)對(duì)象。其中包括組(Group)、集合(Composition)、軌道(Track)和媒體源(Source)，在組中加入軌道實(shí)現(xiàn)視頻的截取。

當(dāng)確定學(xué)生入校時(shí)，time1前5 s作為開(kāi)始時(shí)間，time2后5 s作為結(jié)束時(shí)間，從視頻文件中截取相應(yīng)時(shí)間段視頻，發(fā)送給學(xué)生家長(zhǎng)的微信客戶(hù)端，以此保證視頻文件中包含該學(xué)生的影視數(shù)據(jù)。如果是出校狀態(tài)，則將time2前5 s作為開(kāi)始時(shí)間，time1后5 s作為結(jié)束時(shí)間。

把截取的視頻發(fā)送給對(duì)應(yīng)學(xué)生家長(zhǎng)的微信賬號(hào)，分上傳視頻文件、發(fā)送視頻消息兩個(gè)步驟完成。上傳臨時(shí)素材文件接口的Https請(qǐng)求方式為 POST，參數(shù)有調(diào)用接口憑證、媒體文件類(lèi)型和媒體文件標(biāo)識(shí)3個(gè)；調(diào)用發(fā)送視頻消息接口的Https請(qǐng)求方式同樣使用POST，參數(shù)只有access_token，其數(shù)據(jù)包格式為JSON。

2.4 RFID防碰撞算法

識(shí)別RFID標(biāo)簽時(shí)，可能會(huì)發(fā)生標(biāo)簽信息碰撞的問(wèn)題，尤其在標(biāo)簽密集型RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，如中小學(xué)生上學(xué)、放學(xué)，讀寫(xiě)器使用的防碰撞算法性能的優(yōu)劣，將直接決定讀寫(xiě)器標(biāo)簽的識(shí)別速率，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)采用防碰撞Q算法，在識(shí)別過(guò)程中標(biāo)簽的狀態(tài)有三種，分別是仲裁狀態(tài)、應(yīng)答狀態(tài)和確認(rèn)狀態(tài)。

防碰撞Q算法的基本處理過(guò)程如下，算法執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。

圖4 防碰撞Q算法執(zhí)行過(guò)程

① 讀寫(xiě)器發(fā)送Query命令給識(shí)別范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。

② 標(biāo)簽在 [0，2Q-1]中隨機(jī)挑選一個(gè)數(shù)，并將該數(shù)載入時(shí)隙計(jì)數(shù)器。

③ 計(jì)數(shù)器中值為0的標(biāo)簽立刻回復(fù)一個(gè)狀態(tài)信號(hào)給讀寫(xiě)器，并對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行應(yīng)答。若計(jì)數(shù)器為非0的標(biāo)簽，每次接收到Query Rep命令，計(jì)數(shù)器的值減1。

當(dāng)有兩個(gè)以上的標(biāo)簽對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行應(yīng)答時(shí)就會(huì)發(fā)生碰撞。讀寫(xiě)器會(huì)發(fā)出Query Rep指令，將發(fā)生碰撞標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值從0000h減到7FFFh，直至讀寫(xiě)器發(fā)送Query Adjust命令調(diào)整Q值，使碰撞過(guò)的標(biāo)簽生成新的隨機(jī)數(shù)。該算法具有運(yùn)算量低、快速獲取最優(yōu)解的優(yōu)點(diǎn)，提高了防碰撞的效率。

3 測(cè)試與結(jié)果

本設(shè)計(jì)測(cè)試主要通過(guò)RFID讀寫(xiě)器獲取學(xué)生出入校的時(shí)間和信息，通過(guò)向考勤表插入學(xué)生信息尋找學(xué)生家長(zhǎng)微信賬號(hào)，根據(jù)出入校的時(shí)間截取上傳視頻文件并發(fā)送至家長(zhǎng)微信客戶(hù)端。

5天內(nèi)在100名學(xué)生上學(xué)、放學(xué)期間分別進(jìn)行出入校門(mén)測(cè)試，分為高峰期和非高峰期，非高峰期成功識(shí)別率為100%，然而在高峰期標(biāo)簽識(shí)別平均成功率為99.8%。識(shí)別失敗的原因是標(biāo)簽被遮擋未被識(shí)別，可以采用人工確認(rèn)的方法彌補(bǔ)，數(shù)據(jù)解析及數(shù)據(jù)傳輸部分成功率都為100%。系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

[1] 張永波.RFID技術(shù)在“智慧校園”中的應(yīng)用[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2011, 10(5): 132-134.

[2] 黃崢,古鵬.基于RFID的應(yīng)用系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2011, 22(6): 122.

[3] 李?lèi)?基于RFID的中小學(xué)校園安全管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)， 2014: 14.

[4] 王大卓，孫玲玲，蔡鵬鵬.一種便攜式超高頻RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(5)：33-36.

[5] 劉肖雷.基于超高頻 RFID 技術(shù)的校園簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].鞍山：遼寧科技大學(xué)， 2012:5.

李睿(碩士研究生)、金華(副教授)，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。