0 引 言

目前，對學生的管理上，大多數學校還是以傳統的方法為主，例如視頻監控、人員進出管理、廣播通知系統［1］。這些傳統方法在相關人員的參與下能起比較好的作用，但自動化程度低，管理起來費時費力;管理人員也容易因為疏忽而造成事故。針對以上問題，也有比較新的方法。如思科開發的綜合校園管理系統（結合門禁、視頻監控、通訊系統、自動視頻分析）［2］，這種監管系統是針對高校安全管理設計的，具有監控范圍廣，而且成本高、技術復雜等特點，不適合在小范圍幼兒園或小學中應用。2005年在日本橫濱，曾進行過利用RFID技術監控學童從家到學校這段路途狀況的試驗［3］。這種使用RFID監控學童在校外的試驗，應該也能利用到校內的輔助管理。鑒于此，本文根據中小學生以及幼兒園兒童的特點，設計了一套基于RFID標簽的學童輔助管理系統，實現了學童管理的自動化、智能化。

1 RFID技術

1.1 RFID介紹

RFID（radio frequency identification）是一種用于移動物體或移動物體之間的短距離數字通信技術［4］。RFID的特點通常是，通信的一端是一個簡單的設備，而另一端是一個更復雜一些的設備。簡單一點的設備（稱為標簽或卡片）很小，通常制作成一張卡片，攜帶比較方便，能大量使用。標簽可以使用電池或其他形式自身“攜帶”的能量，驅動內部電路工作。這種標簽稱為主動標簽，一般通信距離在50 m以上，而其他形式的標簽則為被動標簽，工作距離在10 m以內，工作時間視電池容量能工作2～5年。而復雜一點的設備（稱為基站、讀卡器或閱讀器）能力更強，有一定運算能力，可以連接到一臺主機上或接入網絡。無線通信的頻率范圍是100Hz～10GHz。

1.2 RFID定位

RFID技術利用無線電進行通信，所以RFID定位不失一般無線電定位的方法。定位的方法按定位原理不同，有到達時間信息定位（TOA和TDOA）、到達場強信息定位（RSSI）和到達角度信息定位（AOA）三大類［5］。例如，RFID室內定位的一種實現方法是，利用多個閱讀器和多個標簽根據環境分布在定位區域，通過分析待定位標簽的RSSI“指紋”來計算標簽的位置，精度可達1 m以內，如M.Lionel Ni等人提出的LANDMARC室內定位系統［6］。這些方法實際上都是通過測量距離來進行定位的，雖然可以獲取目標坐標，但定位成本相對較高，計算較為繁瑣。

在本系統中，并不要求知道定位目標的準確坐標，因此可以使用基于區域的定位方法［7］ （area localization scheme，ALS）。ALS是一種集中的無須測距的方法，它提供閱讀器節點分布的區域。ALS將定位網絡按地形劃分成不同的區域，每個閱讀器節點都以不同的靈敏度接收標簽節點的廣播信標信號，也就是說，在狹小的范圍內，可以用低靈敏度接收信標信號，而在廣闊的區域則要用高靈敏度來接收信標信號。當標簽廣播信號被閱讀器節點監聽到時，閱讀器記錄下標簽的ID，并給上位主機發送信息，上位主機通過相關定位算法可以計算出標簽節點所在的大概位置。這種方法屬于粗粒度定位方法，成本低，精度也低，無需復雜計算。

2 系統設計

2.1 系統功能

本系統采用2.4 GHz的有源RFID技術，在每個學生卡的內部放置一個有源RFID標簽，該標簽會不斷向外播送信息（標簽標識信息——只有授權的閱讀器能識別這些信息），包括自身的編碼和狀態。接收到信息的閱讀器會將信息（標簽信息和閱讀器信息）傳送給管理主機。學童從進入校園的那一刻起，系統就開始自動跟蹤學童，并記錄學童的行動軌跡。由這些信息，系統可以分析出學童離校、到校以及是否進入危險區域等狀況［8］，并根據可靈活定制的業務對這些狀況給家長發送通知、給保安發送警報等相應的處理程序。系統還提供一個門戶網站，家長可以在網站查詢孩子的實時信息，與校方溝通;班主任可以查看本班的考勤和安全情況;領導可獲知本校安全和缺席情況;管理員可管理各類人員的權限、注冊人員信息、編寫校歷等。

2.2 系統框架

本系統結合當前學校的實際情況和需求，經過充分調查，根據先進性、經濟性、實用性的原則定制了系統整體架構。整個系統分為4個層次，從下到上分別為基礎設施層、數據資源層、業務邏輯層和綜合表現層，圖1所示是其系統結構圖。

基礎設施包括系統所需硬件，如RFID閱讀器、RFID標簽、服務器、通信網絡，軟件包括操作系統、架設門戶網站用的服務器軟件、數據庫軟件、通信軟件、數據處理主程序。這一層為系統的運行提供軟硬件環境。數據資源層包含系統數據的所有數據。基礎數據存儲系統的人員信息、閱讀器信息、標簽信息;監測數據存儲閱讀器上傳后分析處理完的數據;業務數據存儲特定業務相關的數據，如考勤業務會定期生成班級、學校的統計數據;管理數據存儲權限數據和日志數據。業務邏輯層包含7個子系統。數據共享與交換子系統負責服務器與用戶之間的數據交換;其余6個子系統與綜合表現層的6個子模塊存在對應關系，詳細情況在模塊設計中予以介紹。

圖 1 系統結構圖

2.3 數據流 　　數據來源有兩個地方，首先是閱讀器上傳的數據。這部分數據組成數據資源層的監測數據，是系統運行的基礎。數據量大，自動處理，是這部分數據的特點。另一部分由門戶網站產生。本系統面向管理員的唯一入口點就是門戶網站，從這里管理著本系統運行的其他所有數據，即在數據資源層中，除監測數據和業務數據外的所有數據都可以通過門戶網站管理。

圖2所示是系統數據流示意圖，其中箭頭所指的方向表示數據流動的方向。

圖 2 系統數據流示意圖

3 系統設計

3.1 閱讀器布設與通信

有源RFID信號具有一定的穿透能力，但物體對信號的也有很明顯的遮蔽效果，為了保證定位數據有效，應允許閱讀器的覆蓋范圍比實際定位范圍稍大［9］。閱讀器靈敏度調高之后，閱讀器之間容易發生信號串擾，不應該收到信號的閱讀器可能意外收到某個標簽的信號，但根據信號的統計特性，當一個標簽的信號同時被多個閱讀器接收時，閱讀器與標簽之間沒有遮擋的閱讀器收到信號的頻率會高于其他閱讀器。每個教室都安裝一個閱讀器，監視上課出勤情況。危險區域，在入口處安裝一個閱讀器，監視學童非法進入危險區域的情況。其他一些要監視的區域也應該安裝閱讀器。

另一個重要的問題是監測進出校門的閱讀器布設。最容易實現進出判斷的情況是在一個狹長的通道中，通道的兩頭各安裝一個閱讀器。圖3所示是典型的校門閱讀器布設圖，其中虛線圓表示閱讀器的覆蓋范圍。此時，兩個閱讀器離得很近，這會導致信號串擾非常嚴重。兩個閱讀器雖然離得很近，但是只要兩個閱讀器之間保持一定距離，這段距離會使兩個閱讀器的覆蓋范圍有明顯差異。這時，當某位學生從門外進入學校時，校門外的閱讀器就應該先收到標簽信號，進入校門后，最后一個收到信號的閱讀器就應該是校門內的閱讀器了。

圖 3 校門閱讀器布設圖

為了便于后期處理，本系統對閱讀器布設區域和不同用途的閱讀器進行邏輯劃分。對于每個定位區域，都給予一個區域編號，如校門編號為1，某某教室編號為2。閱讀器根據用途不同分為三類：第一類，兩個閱讀器結對工作的，如校門進出判斷，需要兩個閱讀器一塊才能工作;第二類，單個閱讀器且不在危險區域的，如教室;第三類，單個閱讀器且在危險區域內的。有了這種邏輯分類以后，后面的數據處理邏輯就會比較簡單，運算速度也會有一定提高。

閱讀器的通信接口選擇RS485接口。這種標準的通信接口，可通信距離超過1 000 m，半雙工通信情況下，可以將多個設備串接到同一根總線上。當連接到主機上時，要將接口轉換為RS232接口。

RS232接口也稱串口。閱讀器通信的參數設計如下：波特率9 600、8位數據位、1位停止位，無校驗。通信信息格式如表1所列。編碼方式采用的是ASCII碼。

3.2 數據庫設計

根據本系統的功能設計，給出了本系統關鍵數據存儲表的設計。由功能設計的三個表所存儲的數據如表2所列。

3.2.1 進出記錄

學童的進出記錄，每次進出都會在此表中插入一條記錄。包含如表3所列的卡號、時間和進或出三個字段。

3.2.2實時位置

學童的實時位置可在表中進行數據實時刷新，包含卡號、時間和區域編號。具體如表4所列。

3.2.3歷史位置

學童的活動軌跡亦包含在卡號、時間和區域編號中。具體設計與表4所列的實時位置表雷同。

3.3 功能模塊設計

為了便于對功能劃分與管理，本系統采用模塊化設計。所有功能模塊都是基于業務邏輯層的，與子系統對應，包含獨立的功能，統一由門戶網站對外提供服務。具體的功能模塊設計如圖4所示。

圖 4 系統模塊設計圖

在人員信息模塊中，可查詢當前已注冊的人員信息，以及其他的屬性。添加人員功能中，除了注冊必需的信息外，還要為人員分配角色。設備管理模塊中，只有標簽的管理，沒有閱讀器的管理。閱讀器的安裝需要反復的調試，測試信號串擾和嚴重程序，而且閱讀器編號與地區編號還存在關聯，這需要經過專業培訓的人員才能為系統添加閱讀器，因此門戶網站沒有提供這一功能。同理，也不會提供閱讀器刪除功能。在標簽管理中，新買來標簽要在此模塊中注冊，只有注冊過的標簽才會被系統識別。模塊中還提供標簽的啟用、停用和刪除功能。本系統中通知警報系統是用短信平臺的方式來實現的。短信平臺通過關聯數據庫指定的表來實現短信的收發，具體可分成三部分。被動發送負責與家長、老師之間的短信互動;定期發送負責考勤、安全信息的報告;警報信息負責即時信息的發送。在此模塊中，管理員應該可以為不同角色、不同情況定義發送信息的模板。在短信警報模塊中，可以為相關人員定制考勤信息的發送，但發送的內容比較簡單，詳細統計學校考勤信息、安全信息、學童一天內的路徑回放。

4 結 語

與傳統校園管理系統相比，本系統具有自主性、全天候的特點。系統基于RFID技術的智能監測手段，自動監視無死角，主動采集并及時發布學童在校信息，保障了學童狀態的實時監控;利用短信平臺作為通知發送和交流工具，及時跟蹤學童的同時實現了與家長的順暢交流，使信息真正發揮作用。因此，本系統在實現應用中有一定的參考價值。目前，本系統智能化程序還較低，對現有管理設施利用較少，如果能對RFID的定位數據做一些情景分析，或者與現有的管理設備對接起來，本系統將能發揮更大的作用。

責任編輯：ct