基于RFID的物联网自动监控识别系统的研究与实现

王玉丽

摘要：某企业有严格的员工出入管理要求，且在不同的区域只能穿戴特定种类的防静电鞋，该企业现以人工辨别鞋子颜色的管理方法远远不能达到企业的管理需求。针对这种情况，提出一种基于RFID的物联网自动监控系统方法。该方法通过绑定电子标签与员工的静电鞋，消除标签抖动策略，将人员流动的实时信息传送到物联网中，触发后台服务器等硬件设备的一系列响应，以达到人员实时管理的目的。实验结果表明，该系统有效地满足了人员实时管理的需求，提高了自动识别率，增强了企业实时管理的水平。

关键词：RFID；物联网；自动监控

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）14-0164-02

随着社会的发展，物联网[1]的运用越来越广泛，深入到生活、工业和科学研究的各个角落，被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[2][3]。随着无线射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）和电子标签[4]技术的发展，RFID在物联网中的应用也越来越广泛。

RFID是一种非接触的自动识别技术，典型的RFID系统至少包含电子标签（Tag）和阅读器（Reader）、应用支撑系统三部分组成。RFID标签与阅读器之间进行无线通信的频段有多种，其中超高频860～960MHz，非常适合长距离0～3.5M～35M之间距离的识别，且多重标签识别性能最突出。

1 基于RFID的自动监控识别系统需求分析

现有某企业厂区分为：办公区、衣帽间、车间、包装车间等多个区域，公司有严格的人员出入管理要求。特定员工只能在指定的区域穿戴指定的静电鞋出入，如果静电鞋穿戴错误系统必须给出报警提示。本文从企业人员管理的实际需求出发，设计了一套企业员工出入管理的自动识别监控系统，系统需要实现的核心功能包括：

1）门禁控制，人员在进入每一个区域时，都要有刷卡门禁控制，不同的区域门禁方式不同。

2）静电鞋识别，人员在出入特定的不同区域时，自动识别出所穿戴的静电鞋类型，以及静电鞋种类是否正确。

3）语言播报与短信提醒，当某区域内静电鞋种类错误时要有实时报警处理和语音提醒功能，相关区域管理人员收到实时短信提醒。

4）区域监控，公司的主管在办公室内能实时监控各个区域的人员流动情况，并能查看员工的历史出入和静电鞋穿戴情况等。

2 总体设计

系统的总体设计方案如下：

1）每个门上安装门禁控制系统，并采用滚闸门形式，有权限者方能通过且每次门禁仅限过一人。门禁控制采用RFID门禁控制。

2）在每只静电鞋都加装RFID电子标签，加装的RFID标签为无源超高频RFID柔性标签（INLAY），频段为915MHZ，工作方式是被动方式，即不主动发送信息，只被动应答。当加装有电子标签的静电鞋进入RFID读头区域时，响应RFID读头的读写命令。

3）在每个门禁处安装RFID读头，RFID读头选用深圳市阿法迪科技有限公司AFD-8200超高频四通道读写器（读写器与标签配套），支持TCP/IP网络、串行口等多种接口。读头有四路天线，分别安装在门内外，自动识别RFID电子标签。RFID读写器，通过有线网络形式联入局域网，支持TCP/IP协议。

4）在门禁处安装语音播报控制和警报响应设备，实时进行警报响应或语音提醒，语音模块采用智能语音合成模块，通过有线网络形式联入局域网，支持TCP/IP协议。

5）选取中心机房内的连接在局域网中服务器作为应用程序部署的服务器，通过USB接口连接短信猫模块，在某区域内发现有违规时，将违规信息通过短信发送到指定号码。

3 Web系统的设计

在服务器上设计部署一个web系统。系统管理员通过IE浏览器进行系统配置，分配人员权限，设置静电鞋所到区域的权限，配置短信接收号码，查看相关信息（实时监控到各个区域的人员流动情况、员工的历史出入记录等）。普通用户通过IE浏览器查看相关日志信息。

系统在运行前，需要将电子标签和静电鞋进行绑定，并定期对电子标签进行检查或更换维护。电子标签数据的初次采集，通过生产厂商提供的RFID桌面读头（用于近距离探测）和配套软件进行标签信息的采集。为了方便静电鞋的识别，在数据入库时静电鞋的信息应尽量完备，包括：唯一编号、名称、类型ID、RFID标签号1、标签号2、首次使用时间、使用寿命、所属员工ID、当前所在区域ID、描述信息、更新时间等，静电鞋上还需添加人工识别编号。

Web系统的数据库设计表格包括： 部门/员工信息表、区域表、区域报警短信发送人员关联表、静电鞋信息/类型表、区域和鞋子的出入动作权限表、系统参数信息表、设备信息/类型表、鞋子出入区域日志记录表、短信模板表、短信发送记录表、基于角色的权限管理系列表格等。

4 后台监控系统的设计与实现

在局域网服务器上部署后台监控程序，它负责接收与处理 RFID读头接收到的数据。当穿戴静电鞋的员工通过门禁时，在读头识别范围内，读头将识别到的RFID电子标签数据通过网络发送给后台监控程序，监控程序根据标签数据到达的先后顺序，进行逻辑判断自动识别出/入门动作，同时根据预先设置好的静电鞋标签的出入权限，判断出员工穿戴的静电鞋是否正确，经过数据过滤和分析后，向后台数据库中插入日志。如果检测到违规信息，则发送语音信息到门禁语音控制设备，控制播报并发送短信。后台周期性地与各个读头交互数据，探测读头是否工作正常，当有读头不正常时及时警报提醒。

后台监控程序使用多线程技术实现，网络数据收发和逻辑处理分别为独立的线程。后台监控程序的实现主要包括：

1）网络数据收发功能。该功能通过Socket编程实现。由于每扇门上安装有一个读写器，每个读写器有一个IP和端口号，因此每个读写器对应一个Socket，通过独立线程完成各自的数据收发。

2）数据帧提取，从网络数据流中获取到符合格式要求的数据帧。标准数据帧为30字节，有规定的帧头和帧尾，不符合要求的按指定规则进行缓冲或抛弃。

3）动作判断，根据标签数据到达的先后顺序，解析出进或出门动作，并向数据库插入指定信息。

后台监控程序中，各个Socket线程接收到的数据，都要经过一定的预处理后放入一个全局的哈希表中供数据处理线程统一处理。数据处理线程将维护两个队列：待处理数据队列和待删数据队列，循环处理哈希表中的数据并进行相应的数据库操作，其中数据处理主线程工作流程为：开始-〉准备并初始化待处理数据队列和待删数据队列-〉遍历哈希表，根据鞋子操作对象处理状态加入相应队列-〉待处理队列处理流程-〉删除队列处理流程-〉休眠10毫秒-〉重复执行上述流程。

5 标签抖动消除策略

在RFID应用系统中，不可避免地会遇到“标签抖动”问题。“标签抖动”指只需要读取到一个电子标签时，却检测到多个电子标签，或者在某一时间段内，读取到的电子标签数大于一个。系统主要通过以下策略来消除标签抖动：

1）采用的硬件提供了基本的过滤策略，即短时间内频繁检测到同一标签，发送重复数据的时间间隔可以调整，这在一定程度上避免了大量重复数据的出现。

2）系统的操作主体是静电鞋，每双静电鞋拥有一对标签，任意一个标签被检测到，即认为该鞋被检测到，同一对标签的数据在2s之内重复出现，视为“标签抖动”，直接抛弃。

3）系统为存储在哈希表中的数据都设置了过期时间，逾期数据将被删除。正常处理完毕的数据，不是立刻删除的，而是插入数据库后设置为2s之后过期。这在一定程度上消除了一个进出门动作，引发多条数据的情况发生。且不完整的动作将会因过期被删除。

通过以上的过滤策略，稳定的过滤了不需要处理的标签及其相关信息，保证了标签触发事件的准确性。达到了稳定读取、准确处理的目的。

6 结语

本文从实际需求和功能出发，设计了基于RFID物联网的自动监控识别系统，系统分为硬件和软件两部分：硬件采用适用于长距离识别的超高频RFID设备，软件包括用于底层监控程序和WEB应用平台。底层后台监控系统主要用于RFID数据接收/解析、数据入库、消息发送、与硬件监控设备相连响应等；WEB应用平台主要是实现查看跟踪系统，实现标签维护、监控区域人员流动情况等，最后采用了标签抖动消除策略，提升了电子标签自动识别的精确性。系统目前已投入实际使用，打破了企业传统的监控管理模式，帮助企业构建了不同厂区人员流动监控的主动反馈机制，实现了实时采集、监控、分析数据，降低了企业的运营成本，提高了工作效率。

参考文献：

[1] WELBOURNE E， BATTLE L， COLE G， et al. Building the Internet of Things using RFID： The RFID ecosystem experience [J]. IEEE Internet Computing， 2009， 13（3）： 48-55

[2] 陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013，36（1）：168-188

[3] CAI Ri-mei. Overview of the Internet of Things [J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing. 2011， 29（1）：59 -63.

[4] Weinstein，R. RFID：a technical overview and its application to the enterprise[J]. IT Professional，2005，7（3）：27-33.