基于RFID技術(shù)的校園安全管理平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

伍德鵬　林灃

【摘 要】本文論述高職院校校園安全管理平臺(tái)設(shè)計(jì)，提出基于射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）構(gòu)建包括學(xué)生信息管理、校園出入管理、宿舍管理、校園充值消費(fèi)、設(shè)備管理等子系統(tǒng)在內(nèi)的校園安全管理平臺(tái)，介紹各個(gè)子系統(tǒng)的功能，分析并構(gòu)建包括感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、平臺(tái)服務(wù)層、終端訪問(wèn)設(shè)備等在內(nèi)的平臺(tái)軟件架構(gòu)，探索RFID、QT、J2EE、Web Service等技術(shù)在平臺(tái)中的運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】射頻識(shí)別技術(shù)? 校園安全管理平臺(tái)? 軟件架構(gòu)? QT? J2EE

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）11C-0190-03

RFID的全稱是Radio Frequency Identification，即射頻識(shí)別技術(shù)，是通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于RFID傳遞數(shù)據(jù)的媒介是無(wú)線電信號(hào)，無(wú)須在系統(tǒng)和特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，相對(duì)于傳統(tǒng)的條碼識(shí)別、磁卡識(shí)別、IC卡識(shí)別等，RFID技術(shù)具有無(wú)接觸、抗干擾能力強(qiáng)、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)物品等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為自動(dòng)識(shí)別中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也日趨完善，在許多領(lǐng)域的生產(chǎn)活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用，如身份證系統(tǒng)、停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)、單位門禁系統(tǒng)等。

校園安全工作是學(xué)校管理工作的重要組成部分，它直接關(guān)系到青少年學(xué)生能否安全、健康地成長(zhǎng)。隨著社會(huì)的發(fā)展，校園的日常安全管理工作的信息化也日益受到各級(jí)管理部門和學(xué)校的重視。近十幾年來(lái)，RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，技術(shù)已較為成熟，在采集數(shù)據(jù)方面具有識(shí)別準(zhǔn)確快捷、定位準(zhǔn)確、安全可靠等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到校園的信息化安全管理中。但是由于校園的安全管理工作包含的內(nèi)容較多，包括如校園出入管理、班級(jí)學(xué)生信息管理、在校行蹤管理、宿舍管理、設(shè)備管理等方方面面，加上原有的技術(shù)限制和缺乏統(tǒng)一規(guī)劃等原因，許多學(xué)校對(duì)各項(xiàng)安全工作的信息管理系統(tǒng)都是單獨(dú)開(kāi)發(fā)的，不但功能較為簡(jiǎn)單，而且系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，不能互相通信;不但開(kāi)發(fā)成本較高，而且信息采集工作重復(fù)、繁雜，容易出錯(cuò)。因此，探討如何構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的、基于RFID技術(shù)的校園安全管理平臺(tái)對(duì)學(xué)校的安全管理的信息化工作有著重要的意義。

一、平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

基于RFID技術(shù)的校園安全管理平臺(tái)應(yīng)能涵蓋學(xué)校日常的各項(xiàng)安全管理工作，可以劃分多個(gè)子系統(tǒng)，分別為學(xué)生信息管理、校園出入管理、宿舍管理、校園充值消費(fèi)、設(shè)備管理等子系統(tǒng)，如圖1所示。

學(xué)生信息管理子系統(tǒng)是對(duì)學(xué)生的基本信息進(jìn)行采集和管理，也是校園安全管理平臺(tái)的基礎(chǔ)。包括平臺(tái)基礎(chǔ)信息維護(hù)、班級(jí)信息維護(hù)、學(xué)生信息的初次錄入和修改，以及RFID無(wú)源標(biāo)簽的發(fā)放、掛失、補(bǔ)辦，子系統(tǒng)對(duì)外接口等。其中的核心功能之一是在發(fā)放無(wú)源標(biāo)簽時(shí)，確保標(biāo)簽和學(xué)生信息的關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性和唯一性，防止一個(gè)標(biāo)簽被多個(gè)學(xué)生重復(fù)登記，導(dǎo)致信息錯(cuò)誤。將一個(gè)標(biāo)簽和一個(gè)學(xué)生關(guān)聯(lián)起來(lái)，這是學(xué)生在校園的安全管理平臺(tái)中的重要標(biāo)識(shí)。無(wú)源標(biāo)簽一般采用IC 卡，又稱智能卡（Smart Card），可采用ISO 14443標(biāo)準(zhǔn)和ISO 14443 TYPE B 協(xié)議，載波頻率為13.56MHz，它不需要安裝電池，有讀寫(xiě)容量大、加密功能、數(shù)據(jù)記錄可靠、使用方便等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫(xiě)10萬(wàn)次，讀無(wú)限次，已被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化、醫(yī)療管理、第二代身份證等領(lǐng)域，適合用于校園安全管理平臺(tái)。

校園出入管理子系統(tǒng)是在校門門禁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展功能的管理系統(tǒng)。一般的門禁系統(tǒng)只有人員出入的禁止和放行等簡(jiǎn)單功能，缺少對(duì)人員信息和行為的跟蹤和統(tǒng)計(jì)，而學(xué)校的出入管理子系統(tǒng)有其管理的特殊性，不但要求有普通的門禁功能，如人員出入記錄、外來(lái)人員登記等，還要對(duì)學(xué)生的出入信息進(jìn)行歸類管理和統(tǒng)計(jì)，以便及時(shí)掌握學(xué)生的在校和離校信息、晚歸信息等。管理方法是學(xué)生進(jìn)出校門時(shí)進(jìn)行刷卡登記（即學(xué)生信息管理子系統(tǒng)中發(fā)放的RFID無(wú)源標(biāo)簽），讀卡系統(tǒng)即時(shí)采集數(shù)據(jù)，并記錄該學(xué)生的卡號(hào)、學(xué)號(hào)、姓名、刷卡時(shí)間、出入標(biāo)記等，子系統(tǒng)自動(dòng)定期或手工即時(shí)地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和匯總，匯報(bào)給學(xué)生管理部門，并篩選和跟蹤異常出入的記錄和學(xué)生信息，如在正常上課期間出入校門的、晚歸進(jìn)入校門的、外出未歸的，方便學(xué)生管理部門及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的異動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行教育糾正。

宿舍管理子系統(tǒng)的主要目的是對(duì)學(xué)生進(jìn)出宿舍進(jìn)行安全檢查和記錄，以防止其他無(wú)關(guān)人員隨意進(jìn)出，保護(hù)學(xué)生的財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，學(xué)生的IC卡還可以作為宿舍房間的智能卡門鎖的開(kāi)門鑰匙，使用起來(lái)十分安全方便。該子系統(tǒng)主要包括宿舍園區(qū)信息維護(hù)，宿舍門禁管理，智能卡門鎖鑰匙開(kāi)通、凍結(jié)、補(bǔ)辦等功能。

校園充值消費(fèi)子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)學(xué)生在校園內(nèi)的充值和消費(fèi)活動(dòng)進(jìn)行管理，包括充值管理、每天消費(fèi)額度限定、食堂和超市消費(fèi)、水電費(fèi)的繳費(fèi)管理、消費(fèi)功能凍結(jié)等功能模塊。RFID的無(wú)源標(biāo)簽卡都內(nèi)含加密控制邏輯電路和通信邏輯電路，卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域分為若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都有獨(dú)立的訪問(wèn)密碼，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的讀寫(xiě)安全性;另外，由于卡與讀寫(xiě)器之間的通信采用國(guó)際通用的DES和RES保密交叉算法，具有極高的保密性能，從而保證了通信的安全性。因此，RFID的無(wú)源標(biāo)簽完全滿足了校園充值消費(fèi)子系統(tǒng)的安全性要求，從技術(shù)上為學(xué)生的財(cái)產(chǎn)安全保駕護(hù)航。每天消費(fèi)金額模塊是對(duì)學(xué)生每天消費(fèi)的金額上限進(jìn)行管理，一般上限可以預(yù)設(shè)為每天50元，超過(guò)此金額后，此卡當(dāng)天不能再消費(fèi)，第二天已消費(fèi)的金額被重置為零。如學(xué)生需要更改限定的金額，需自行到充值管理辦公室提交申請(qǐng)修改。該功能模塊的目的是防止卡不慎丟失后，被他人惡意消費(fèi)，是保護(hù)學(xué)生財(cái)產(chǎn)安全的措施。充值管理模塊包括IC卡自動(dòng)識(shí)別、學(xué)生信息確認(rèn)、卡充值等功能;食堂和超市消費(fèi)模塊則是對(duì)學(xué)生在食堂和超市的消費(fèi)活動(dòng)進(jìn)行即時(shí)記錄和扣費(fèi)計(jì)算，并顯示消費(fèi)金額和卡的余額，對(duì)本次消費(fèi)的余額不足的卡進(jìn)行提示，同時(shí)要記錄消費(fèi)時(shí)間和刷卡機(jī)的編號(hào)，以便在卡丟失被其他人消費(fèi)時(shí)進(jìn)行跟蹤和查找。對(duì)于超市消費(fèi)除了計(jì)算消費(fèi)金額和余額外，一般還要記錄消費(fèi)單號(hào)和時(shí)間，以備必要時(shí)和超市進(jìn)行對(duì)照查詢。水電費(fèi)的繳費(fèi)管理模塊主要功能是水電費(fèi)的自助充值和扣費(fèi)。自動(dòng)充值可以采用在學(xué)生宿舍樓安裝手觸屏的充值機(jī)來(lái)完成，也可以通過(guò)和支付寶對(duì)接，方便學(xué)生通過(guò)手機(jī)進(jìn)行充值和查詢?？圪M(fèi)則是根據(jù)每個(gè)宿舍的水電費(fèi)使用的實(shí)際情況，對(duì)學(xué)生的水電費(fèi)進(jìn)行計(jì)算和扣除，并在水電費(fèi)余額為零之前及時(shí)提醒學(xué)生充值。

設(shè)備管理子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)教學(xué)設(shè)施設(shè)備的入庫(kù)、借出、歸還和報(bào)廢進(jìn)行跟蹤統(tǒng)一管理。教學(xué)設(shè)施設(shè)備如實(shí)驗(yàn)室儀器、教學(xué)設(shè)備、體育設(shè)備等是學(xué)校的重要財(cái)產(chǎn)，保證設(shè)備安全是學(xué)校開(kāi)展教育教學(xué)工作的有力保障。近年來(lái)，隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，教學(xué)手段的不斷豐富，教學(xué)設(shè)施設(shè)備也越來(lái)越多。使用傳統(tǒng)模式人工管理這些設(shè)施設(shè)備不但耗費(fèi)大量人力物力，而且容易錯(cuò)漏，資源得不到充分利用和妥善保管，損壞或丟失也不易跟蹤追查。RFID技術(shù)能有效地解決這些問(wèn)題。設(shè)備管理子系統(tǒng)主要包括使用人員信息登記、設(shè)備基本信息登記、設(shè)備借出、設(shè)備歸還、設(shè)備封存等功能。每臺(tái)設(shè)備上都貼有RFID的標(biāo)簽，作為設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)。使用設(shè)備的人員也有自己的唯一RFID標(biāo)簽。系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)該設(shè)備標(biāo)簽和人員標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)記錄人員和設(shè)備的關(guān)聯(lián)信息，再加上借用和歸還標(biāo)記、記錄時(shí)間，即可完成對(duì)設(shè)備的使用跟蹤。

二、平臺(tái)軟件架構(gòu)

一個(gè)完整的安全管理平臺(tái)系統(tǒng)，功能較為復(fù)雜，涉及的技術(shù)面較廣，如RFID識(shí)別、串口訪問(wèn)和通信、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、對(duì)外接口開(kāi)發(fā)以及終端通信等。如何將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，是平臺(tái)構(gòu)建要解決的問(wèn)題。平臺(tái)的軟件架構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，平臺(tái)架構(gòu)一共分為六層，從下往上分別是感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、平臺(tái)服務(wù)層和終端訪問(wèn)設(shè)備。其中，網(wǎng)絡(luò)安全是貫穿整個(gè)平臺(tái)的共性技術(shù)，也是整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)要特別關(guān)注的問(wèn)題。感知層主要是采用讀卡器對(duì)RFID無(wú)源標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，經(jīng)由串口連接和通信網(wǎng)絡(luò)層的傳輸，最終將標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)符以及其他數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)層進(jìn)行存儲(chǔ)，從而得到平臺(tái)的必須采集信息。在此基礎(chǔ)上，利用應(yīng)用支撐層的QODBC、QT Creator、JDBC、J2EE等技術(shù)和工具，開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)以及對(duì)外統(tǒng)一接口、云計(jì)算等應(yīng)用。最后，終端訪問(wèn)設(shè)備如PC機(jī)、智能手機(jī)等可以通過(guò)服務(wù)器地址來(lái)訪問(wèn)各子系統(tǒng)應(yīng)用。

三、關(guān)鍵技術(shù)

平臺(tái)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)許多技術(shù)，其中有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)解決。分別是RFID系統(tǒng)構(gòu)成及其相關(guān)技術(shù)、QT平臺(tái)技術(shù)、J2EE技術(shù)、Web Service技術(shù)。

（一）RFID系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)技術(shù)。一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分。標(biāo)簽是標(biāo)識(shí)身份和記錄數(shù)據(jù)的載體，一般記錄較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，如身份識(shí)別碼、基本個(gè)人信息、鎖定標(biāo)識(shí)、卡上余額等。在讀取過(guò)程中，讀寫(xiě)器在工作狀態(tài)下，不斷地向外發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，以尋找并激活靠近讀寫(xiě)器的標(biāo)簽，使標(biāo)簽獲得能量并開(kāi)始工作，從而完成兩者交換數(shù)據(jù)的過(guò)程。最后，讀寫(xiě)器可通過(guò)串口通信或其他方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)處理。其寫(xiě)卡過(guò)程和讀取過(guò)程的方向相反，先由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，將組裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器再通過(guò)尋卡和寫(xiě)卡完成操作。計(jì)算機(jī)和讀寫(xiě)器之間的通信一般可采用串口連接，由QT平臺(tái)的第三方串口操作封裝庫(kù)QextSerialPort完成串口通信（QT 5.0及后續(xù)版本已集成該封裝庫(kù)），QextSerialPort采用QT平臺(tái)的信號(hào)（signal）和槽（slot）機(jī)制來(lái)對(duì)讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和響應(yīng)。

（二）QT平臺(tái)技術(shù)。QT是由QT Company開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，并同步發(fā)布開(kāi)發(fā)工具QT Creator。QT平臺(tái)開(kāi)發(fā)的程序具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，支持Microsoft Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上完全面向?qū)ο螅子跀U(kuò)展，還提供了豐富的窗口部件和API，配套完整的開(kāi)發(fā)文檔，在桌面程序開(kāi)發(fā)和嵌入式開(kāi)發(fā)方面方便快捷，運(yùn)行效率高，優(yōu)勢(shì)明顯。其中，信號(hào)和槽機(jī)制是QT的核心機(jī)制。所有從QObject或其子類（例如Qwidget）派生的類都包含有信號(hào)和槽。當(dāng)對(duì)象的狀態(tài)被改變時(shí)，對(duì)象就發(fā)射（emit）一個(gè)信號(hào)出去，槽用于接收和處理這個(gè)信號(hào)。當(dāng)信號(hào)和槽被正確連接在一起時(shí)，它們之間就組成了一個(gè)能夠即時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)，需要注意的是槽函數(shù)必須和信號(hào)的參數(shù)保持一致。

（三）J2EE技術(shù)。J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）是一組技術(shù)規(guī)范，這些技術(shù)規(guī)范包括JDBC（Java Database Connectivity）、JNDI（Java Naming and Directory Interface）、EJB（Enterprise JavaBean）等，規(guī)定了企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中各個(gè)類組件、服務(wù)架構(gòu)和技術(shù)層次的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，使得原來(lái)非常復(fù)雜的企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單，提高了可移植性和重用性，并解決了各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間無(wú)法兼容和通信的問(wèn)題。其中，EJB是J2EE架構(gòu)的核心技術(shù)，也是系統(tǒng)構(gòu)成的核心組件，封裝了業(yè)務(wù)邏輯（Session EJB）和數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作（Entity EJB）。

（四）Web service技術(shù)。Web service技術(shù)是一個(gè)平臺(tái)獨(dú)立的、低耦合的、自包含的、基于可編程的web的應(yīng)用程序，可使用開(kāi)放的XML（標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言下的一個(gè)子集）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置這些應(yīng)用程序，用于開(kāi)發(fā)分布式的互操作的應(yīng)用程序。它能使得運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無(wú)須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。Web Service采用標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言XML來(lái)傳輸結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并采用SOAP（Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）進(jìn)行跨系統(tǒng)接口發(fā)布和訪問(wèn)，具有良好的開(kāi)放性和跨平臺(tái)特性，使得平臺(tái)子系統(tǒng)之間的通信較為容易。

上述結(jié)合校園安全的信息化管理問(wèn)題，提出基于RFID技術(shù)的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，包括的設(shè)計(jì)問(wèn)題和技術(shù)細(xì)節(jié)還有很多，由于篇幅所限，未能全部涉及，只針對(duì)其整體和關(guān)鍵部分提出一個(gè)大致的方案，希望起到拋磚引玉的作用。

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