应用型RFID课程及实验体系研究与探索

朱俊岭，田 庆

（肇庆学院 计算机学院，广东 肇庆526061）

应用型RFID课程及实验体系研究与探索

朱俊岭，田 庆

（肇庆学院 计算机学院，广东 肇庆526061）

RFID技术及应用是应用型本科院校对物联网专业知识、能力、素质培养的重要环节。文章针对现有RFID课程体系局限于介绍感知层的基础原理和知识，概述RFID技术在实际生产、生活中的应用现状及社会需求，对RFID应用系统中大量使用的知识及应用技术进行分析，提出将EPC标准的相关知识及通信层和应用层的相关技术等引入到课程及实验体系中，以满足人才培养的实际需求。

RFID；课程体系；实验体系；物联网

0 引 言

物联网工程专业的目标是培养从事物联网技术研究、开发与应用的高级工程技术人才。射频识别（radio frequency identif cation）技术、传感器技术、嵌入式系统技术是物联网的三大关键技术，其中RFID技术是构建物联网体系结构感知层的基础之一，被广泛应用于社会生产、生活的众多领域，所以RFID技术在物联网工程专业的人才培养模式中具有非常重要的现实意义。在目前物联网工程专业的培养方案中，对知识和能力的要求是需要掌握 RFID 技术原理和RFID系统的设计与应用能力[1]。

1 RFID应用系统现状

随着物联网行业的飞速发展、RFID技术的进一步成熟和成本的进一步降低，RFID技术在管理、生产、信息传输等方面的应用也得到了迅猛发展，其应用领域也越来越广泛，显示出巨大的发展潜力与应用空间。

目前的RFID应用系统中，无源RFID产品发展最早，最为成熟，市场上应用最广泛，产品的主要工作频率有低频125KHz，使用ISO18000-2标准；高频13.56MHz，使用ISO18000-3、ISO 14443、ISO15693标准，属于近距离识别类，主要应用在门禁卡、公交卡等方面。现有的课程体系基本覆盖了这个方向的内容，对RFID系统的基本组成、基本原理、射频前端、天线技术、电子标签、读写器等基础知识进行了介绍，针对基础知识的实验也能满足培养目标的基本要求。

超高频UHF读写器模块工作在 902～928 MHz 频段，兼容 EPC CLASS1 Gen2 标准，使用ISO18000-6C 协议，主要应用在生产线、物流仓储、制造业领域。无源标签一般免维护，具有重量轻、体积小、寿命长、较便宜的优势，因此应用广泛。在超高频UHF的应用系统中，涉及标签的编码、EPC（electronic product code）编码与条码的转换、读写器的标准及相应协议、应用层的事件处理等关键知识与应用。这些内容在实际的应用系统中被大量使用，但现有的课程体系中没有相关的知识介绍。

有源RFID产品因其远距离识别特性，主要应用在智能交通ETC和智慧城市等方面，工作在2.4GHz频段，使用ISO18000-4标准，主要采用标签内部电池供电，通常接多种传感器，成本较高。半有源标签一般在工作时采用内置电池供电，数据传输时采用无源工作模式，应用在一些特定场所，解决一些单纯用有源或无源标签无法解决的问题。此外，还有一些标签中使用了双界面方案，即同一标签支持几种不同频段，既可以近距离识别，也可以远距离识别。在这些应用系统中，物联网工程专业的RFID技术、传感器技术、传感器网络、嵌入式系统技术等知识都有大量的应用，应用系统的设计与开发属于知识的综合应用。

在各种RFID应用系统中，除了在感知层使用RFID和传感器技术外，还涉及大量数据通信层和应用层的知识及应用。学生在学习过程中除了掌握RFID基础知识及应用外，还应具备RFID应用及数据处理的相关知识，如EPC/ RFID、Barcode、LLRP、通信协议、系统集成技术等，为后续课程如物联网应用系统、物联网信息处理及多种形式的应用系统开发提供支持。

2 物联网RFID课程体系分析

目前RFID课程的内容和教学通常以RFID原理及应用课程为主，偏重于理论知识，通常以ISO14443标准的RFID技术为平台，基于特定的实验设备，注重各模块的原理和验证，偏重于硬件，对RFID技术的基本概念、理论和方法进行介绍[2]。实验条件集中在分析13.56MHz 与2.4GHz应用下阅读器、标签和天线等原理知识，并讨论软硬件的实现。

实践环节更多集中在针对RFID的嵌入式系统应用、低频近距离硬件设备的开发等，实践内容较为单一，超高频设备、标准、软件及应用较少涉及。在课程体系中涉及很多电子类知识，包含传感器及嵌入式系统的硬件知识，对于网络、数据通信等超高频、远距离、有源RFID等应用方面缺乏支撑，而计算机专业的平台课更多涉及软件、系统、数据库、数据通信及处理等方面的知识，RFID的课程及实验体系有必要将计算机专业的平台知识体系包括网络、通信、数据库等与RFID技术以应用系统的方式融合起来[3]，将所学知识用于开发多种形式的RFID物联网应用系统甚至用于创新、创业训练。物联网应用系统的开发通常需要将感知层与数据层、互联网相结合，现有课程及实验体系结构的专业知识集中在感知层，没有形成完整的层次结构和应用知识体系，对开发物联网实际应用需求的支撑稍显不足。因此，在RFID课程体系中可以考虑增加体系标准、通信协议、中间件和系统集成等方面的知识和实践环节，将已有的基础知识与应用系统的设计开发紧密结合起来，对课程及实验体系进行探索，以便满足人才培养的需要和社会对RFID应用型人才的需求。

3 物联网RFID课程体系

要将RFID技术结构中的感知层、通信层和应用层结合起来，形成完善的物联网RFID课程及实验体系结构，可以在现有感知层基础知识的结构上进行扩展，引入900MHz频段的EPC/ RFID技术及2.4GHz频段的RFID技术，分3个阶段的内容，各个阶段的知识结构及对应物联网的体系结构见表1。

第一个阶段为感知层基础知识：现有的课程设置及实验环境中，对RFID系统基本组成、基本原理、射频前端、天线技术、电子标签、读写器等基础内容有比较完善的原理知识介绍，目的是掌握基础知识及基本原理。第二个阶段是网络及数据处理：在实际的应用系统中，有些需要重新编码，有些需要与现有的ERP等系统进行通信，而现有的系统很多使用了条码技术，需要将条码与EPC编码进行相互转换，因此在通信层需要的知识包含EPC编码知识、Barcode和Sgtin96的相互转换等。通常使用 CLASS1 GEN 2 电子标签作为EPC编码的载体，还需要有关电子标签的知识。理论知识包含EPCglobal标准、读写器LLRP/Socket、ALE、中间件基础知识、ESP（event stream process）和CEP（complex event process）事件处理引擎等基础知识，目的是掌握应用开发的相关关键技术。第三个阶段是综合应用：可以根据实际需求，采用有源或者无源RFID技术，综合应用所学知识，构建标签、读写器、EPCIS Repository或应用数据库、中间件等RFID应用系统，目的是培养学生设计开发综合应用的能力。

表1 RFID应用知识课程体系

4 物联网RFID实验体系

结合基础的理论知识，实验体系也分3个阶段的内容逐层展开，各阶段的实验内容及整个实验体系的结构图见表2。

表2 RFID实验体系

第一个阶段为感知层实验：在现有的课程实验环境中，对RFID系统基本组成、基本原理、射频前端、天线技术、电子标签、读写器等内容有比较完善的基础实验。第二个阶段为数据层实验：采用900MHz频段的EPC/RFID技术，读写器及标签已经较为成熟，实验条件也容易满足。读写器接入技术主要采用Socket技术或者LLRP协议接入，对于简单应用系统，读写器接入后就可以直接获取感知层信息，可以采用ALE (application level event)或者自定义事件处理，采用数据库技术进行应用系统的开发。对于复杂应用系统，则要考虑通过软件将标签读取信息封装成事件，而在事件逻辑复杂的情况下，可以考虑引入中间件技术，现有的中间件技术包括开源软件Fosstrak、RIFIDI、Microsoft Biztalk RFID等中间件，在中间件中引入ESP（event stream process）和CEP（complex event process）事件处理引擎，如Esper和Drools等，通过事件处理引擎，编写规则处理事件以及事件之间的关系。第三阶段为综合设计阶段：可以采用课程设计、创新学分和毕业设计的形式，以900MHz频段的无源或者2.4GHz频段的有源RFID技术为基础设计开发一个RFID应用系统，甚至可以将Zigbee、Bluetooth、wif 技术融入有源RFID技术中，综合应用所有传感器及网络基础知识，嵌入式系统应用知识，RFID标准、系统、软件、中间件、数据库技术的基础知识。这样的课程及实验体系结构可以将物联网多层结构与RFID技术相结合，满足人才培养的需求。

5 结 语

RFID 技术是物联网感知层的核心技术之一，是整个物联网工程专业知识、能力结构当中的重要组成部分，结合生产、生活中实际应用系统所需要的知识及技术来构建RFID课程及实验体系，对于应用型人才培养及创新、创业都具有非常重要的现实意义。提出将UHF技术及应用引入课程体系，实现物联网感知层、通信层和应用层在RFID应用上的融合，在具体内容及细节的安排上进行进一步优化，为RFID课程及实验体系改革进行研究和探索，旨在为物联网应用人才的培养提供更好的、结合实际的应用，为课程建设提供一定的参考和建议。

[1] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校物联网工程专业实践教学体系与规范[M]. 北京： 机械工业出版社, 2012： 12-15.

[2] 曹国平, 王宜怀, 曹金华. 应用型本科物联网专业RFID课程实践教学研究[J]. 计算机教育, 2015(10)： 100-102.

[3] 吴宣够, 王小林. 物联网工程RFID课程教学研究与探索[J]. 安徽工业大学学报(社会科学版), 2015(3)： 101-102.

（见习编辑：张 勋）

1672-5913(2017)03-0144-04

G642

肇庆市科技计划项目（2015B01041003）。

朱俊岭，男，讲师，研究方向为物联网应用技术，zhujunling@zqu.edu.cn。