基于RFID技术的校园安全管理平台设计研究

伍德鹏　林沣

【摘 要】本文论述高职院校校园安全管理平台设计，提出基于射频识别技术（RFID）构建包括学生信息管理、校园出入管理、宿舍管理、校园充值消费、设备管理等子系统在内的校园安全管理平台，介绍各个子系统的功能，分析并构建包括感知层、通信网络层、数据层、应用支撑层、平台服务层、终端访问设备等在内的平台软件架构，探索RFID、QT、J2EE、Web Service等技术在平台中的运用。

【关键词】射频识别技术  校园安全管理平台  软件架构  QT  J2EE

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）11C-0190-03

RFID的全称是Radio Frequency Identification，即射频识别技术，是通过无线电波进行数据传递的一种非接触式的自动识别技术，也是物联网的一项关键技术。由于RFID传递数据的媒介是无线电信号，无须在系统和特定目标之间建立机械或光学接触，相对于传统的条码识别、磁卡识别、IC卡识别等，RFID技术具有无接触、抗干扰能力强、可同时识别多个目标物品等优点，逐渐成为自动识别中应用最广泛的技术之一。随着物联网的快速发展，RFID技术也日趋完善，在许多领域的生产活动中得到广泛应用，如身份证系统、停车场收费系统、单位门禁系统等。

校园安全工作是学校管理工作的重要组成部分，它直接关系到青少年学生能否安全、健康地成长。随着社会的发展，校园的日常安全管理工作的信息化也日益受到各级管理部门和学校的重视。近十几年来，RFID（射频识别）技术得到长足发展，技术已较为成熟，在采集数据方面具有识别准确快捷、定位准确、安全可靠等特点，已被广泛应用到校园的信息化安全管理中。但是由于校园的安全管理工作包含的内容较多，包括如校园出入管理、班级学生信息管理、在校行踪管理、宿舍管理、设备管理等方方面面，加上原有的技术限制和缺乏统一规划等原因，许多学校对各项安全工作的信息管理系统都是单独开发的，不但功能较为简单，而且系统之间互相独立，不能互相通信;不但开发成本较高，而且信息采集工作重复、繁杂，容易出错。因此，探讨如何构建一个统一的、基于RFID技术的校园安全管理平台对学校的安全管理的信息化工作有着重要的意义。

一、平台系统构成

基于RFID技术的校园安全管理平台应能涵盖学校日常的各项安全管理工作，可以划分多个子系统，分别为学生信息管理、校园出入管理、宿舍管理、校园充值消费、设备管理等子系统，如图1所示。

学生信息管理子系统是对学生的基本信息进行采集和管理，也是校园安全管理平台的基础。包括平台基础信息维护、班级信息维护、学生信息的初次录入和修改，以及RFID无源标签的发放、挂失、补办，子系统对外接口等。其中的核心功能之一是在发放无源标签时，确保标签和学生信息的关联的准确性和唯一性，防止一个标签被多个学生重复登记，导致信息错误。将一个标签和一个学生关联起来，这是学生在校园的安全管理平台中的重要标识。无源标签一般采用IC 卡，又称智能卡（Smart Card），可采用ISO 14443标准和ISO 14443 TYPE B 协议，载波频率为13.56MHz，它不需要安装电池，有读写容量大、加密功能、数据记录可靠、使用方便等特点，数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次，已被廣泛应用在生产自动化、医疗管理、第二代身份证等领域，适合用于校园安全管理平台。

校园出入管理子系统是在校门门禁系统的基础上进行扩展功能的管理系统。一般的门禁系统只有人员出入的禁止和放行等简单功能，缺少对人员信息和行为的跟踪和统计，而学校的出入管理子系统有其管理的特殊性，不但要求有普通的门禁功能，如人员出入记录、外来人员登记等，还要对学生的出入信息进行归类管理和统计，以便及时掌握学生的在校和离校信息、晚归信息等。管理方法是学生进出校门时进行刷卡登记（即学生信息管理子系统中发放的RFID无源标签），读卡系统即时采集数据，并记录该学生的卡号、学号、姓名、刷卡时间、出入标记等，子系统自动定期或手工即时地对这些数据进行整理和汇总，汇报给学生管理部门，并筛选和跟踪异常出入的记录和学生信息，如在正常上课期间出入校门的、晚归进入校门的、外出未归的，方便学生管理部门及时、准确地掌握学生的异动情况，及时发现问题进行教育纠正。

宿舍管理子系统的主要目的是对学生进出宿舍进行安全检查和记录，以防止其他无关人员随意进出，保护学生的财产安全。同时，学生的IC卡还可以作为宿舍房间的智能卡门锁的开门钥匙，使用起来十分安全方便。该子系统主要包括宿舍园区信息维护，宿舍门禁管理，智能卡门锁钥匙开通、冻结、补办等功能。

校园充值消费子系统的主要功能是对学生在校园内的充值和消费活动进行管理，包括充值管理、每天消费额度限定、食堂和超市消费、水电费的缴费管理、消费功能冻结等功能模块。RFID的无源标签卡都内含加密控制逻辑电路和通信逻辑电路，卡的数据存储区域分为若干个扇区，每个扇区都有独立的访问密码，保证了数据存储的读写安全性;另外，由于卡与读写器之间的通信采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，具有极高的保密性能，从而保证了通信的安全性。因此，RFID的无源标签完全满足了校园充值消费子系统的安全性要求，从技术上为学生的财产安全保驾护航。每天消费金额模块是对学生每天消费的金额上限进行管理，一般上限可以预设为每天50元，超过此金额后，此卡当天不能再消费，第二天已消费的金额被重置为零。如学生需要更改限定的金额，需自行到充值管理办公室提交申请修改。该功能模块的目的是防止卡不慎丢失后，被他人恶意消费，是保护学生财产安全的措施。充值管理模块包括IC卡自动识别、学生信息确认、卡充值等功能;食堂和超市消费模块则是对学生在食堂和超市的消费活动进行即时记录和扣费计算，并显示消费金额和卡的余额，对本次消费的余额不足的卡进行提示，同时要记录消费时间和刷卡机的编号，以便在卡丢失被其他人消费时进行跟踪和查找。对于超市消费除了计算消费金额和余额外，一般还要记录消费单号和时间，以备必要时和超市进行对照查询。水电费的缴费管理模块主要功能是水电费的自助充值和扣费。自动充值可以采用在学生宿舍楼安装手触屏的充值机来完成，也可以通过和支付宝对接，方便学生通过手机进行充值和查询。扣费则是根据每个宿舍的水电费使用的实际情况，对学生的水电费进行计算和扣除，并在水电费余额为零之前及时提醒学生充值。

设备管理子系统的主要功能是对教学设施设备的入库、借出、归还和报废进行跟踪统一管理。教学设施设备如实验室仪器、教学设备、体育设备等是学校的重要财产，保证设备安全是学校开展教育教学工作的有力保障。近年来，随着教学改革的推进，教学手段的不断丰富，教学设施设备也越来越多。使用传统模式人工管理这些设施设备不但耗费大量人力物力，而且容易错漏，资源得不到充分利用和妥善保管，损坏或丢失也不易跟踪追查。RFID技术能有效地解决这些问题。设备管理子系统主要包括使用人员信息登记、设备基本信息登记、设备借出、设备归还、设备封存等功能。每台设备上都贴有RFID的标签，作为设备的唯一标识。使用设备的人员也有自己的唯一RFID标签。系统负责对该设备标签和人员标签进行识别，自动记录人员和设备的关联信息，再加上借用和归还标记、记录时间，即可完成对设备的使用跟踪。

二、平台软件架构

一个完整的安全管理平台系统，功能较为复杂，涉及的技术面较广，如RFID识别、串口访问和通信、数据库管理、数据库访问、数据应用、对外接口开发以及终端通信等。如何将这些技术有机地结合起来，形成一个完整的系统，是平台构建要解决的问题。平台的软件架构如图2所示。

从图2可以看出，平台架构一共分为六层，从下往上分别是感知层、通信网络层、数据层、应用支撑层、平台服务层和终端访问设备。其中，网络安全是贯穿整个平台的共性技术，也是整个平台设计时要特别关注的问题。感知层主要是采用读卡器对RFID无源标签进行识别，经由串口连接和通信网络层的传输，最终将标签唯一标识符以及其他数据送给数据层进行存储，从而得到平台的必须采集信息。在此基础上，利用应用支撑层的QODBC、QT Creator、JDBC、J2EE等技术和工具，开发平台系统以及对外统一接口、云计算等应用。最后，终端访问设备如PC机、智能手机等可以通过服务器地址来访问各子系统应用。

三、关键技术

平台设计设计许多技术，其中有几个关键技术需要重点解决。分别是RFID系统构成及其相关技术、QT平台技术、J2EE技术、Web Service技术。

（一）RFID系统构成及相关技术。一个完整的RFID系统包括标签、读写器和计算机系统三部分。标签是标识身份和记录数据的载体，一般记录较简单的数据，如身份识别码、基本个人信息、锁定标识、卡上余额等。在读取过程中，读写器在工作状态下，不断地向外发射无线电信号，以寻找并激活靠近读写器的标签，使标签获得能量并开始工作，从而完成两者交换数据的过程。最后，读写器可通过串口通信或其他方式，将采集到的数据传递给计算机处理。其写卡过程和读取过程的方向相反，先由计算机发出指令，将组装好的数据发送给读写器，读写器再通过寻卡和写卡完成操作。计算机和读写器之间的通信一般可采用串口连接，由QT平台的第三方串口操作封装库QextSerialPort完成串口通信（QT 5.0及后续版本已集成该封装库），QextSerialPort采用QT平台的信号（signal）和槽（slot）机制来对读写器的数据进行监控和响应。

（二）QT平台技术。QT是由QT Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，并同步发布开发工具QT Creator。QT平台开发的程序具有优良的跨平台特性，支持Microsoft Windows、Linux、Unix等操作系统，设计上完全面向对象，易于扩展，还提供了丰富的窗口部件和API，配套完整的开发文档，在桌面程序开发和嵌入式开发方面方便快捷，运行效率高，优势明显。其中，信号和槽机制是QT的核心机制。所有从QObject或其子类（例如Qwidget）派生的类都包含有信号和槽。当对象的状态被改变时，对象就发射（emit）一个信号出去，槽用于接收和处理这个信号。当信号和槽被正确连接在一起时，它们之间就组成了一个能够即时响应的系统，需要注意的是槽函数必须和信号的参数保持一致。

（三）J2EE技术。J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）是一组技术规范，这些技术规范包括JDBC（Java Database Connectivity）、JNDI（Java Naming and Directory Interface）、EJB（Enterprise JavaBean）等，规定了企业级应用开发中各个类组件、服务架构和技术层次的标准和规格，使得原来非常复杂的企业级应用开发变得简单，提高了可移植性和重用性，并解决了各个应用系统之间无法兼容和通信的问题。其中，EJB是J2EE架构的核心技术，也是系统构成的核心组件，封装了业务逻辑（Session EJB）和数据访问操作（Entity EJB）。

（四）Web service技术。Web service技术是一个平台独立的、低耦合的、自包含的、基于可编程的web的应用程序，可使用开放的XML（标准通用标记语言下的一个子集）标准来描述、发布、发现、协调和配置这些应用程序，用于开发分布式的互操作的应用程序。它能使得运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。Web Service采用标准通用标记语言XML来传输结构化数据，并采用SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议）进行跨系统接口发布和访问，具有良好的开放性和跨平台特性，使得平台子系统之间的通信较为容易。

上述结合校园安全的信息化管理问题，提出基于RFID技术的平台设计方案。在實际设计中，包括的设计问题和技术细节还有很多，由于篇幅所限，未能全部涉及，只针对其整体和关键部分提出一个大致的方案，希望起到抛砖引玉的作用。

【参考文献】

[1]李冬月，贾宇琛.物联网在校园安全中的应用[J].无线互联科技，2015（13）

[2]徐守辉.基于RFID的校园安全信息管理系统的设计与研究[J].科技资讯，2012（23）

[3]陆璐.物联网中RFID智能门禁系统研究[J].信息技术，2013（7）

[4]周世杰，张文清，罗嘉庆.射频识别（RFID）隐私保护技术综述[J].软件学报，2015（4）