RFID技術在校園網(wǎng)應用研究的論文
【摘 要】射頻技術RFID的基本原理是電磁理論。射頻系統(tǒng)的優(yōu)點是不局限視線范圍，識別距離比光學系統(tǒng)遠，射頻識別卡可具有讀寫能力，可攜帶大量數(shù)據(jù)、難偽造和有智能等。本文在重點分析RFID射頻技術的基礎上，探討RFID的通信協(xié)議，并重點分析RFID技術在校園網(wǎng)中應用。
【關鍵詞】RFID技術；校園網(wǎng)；射頻識別
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是相對較新的自動識別技術，它可以通過非接觸的方式識讀信息，通過感應、無線電波或微波能量進行雙向通信，保密性和抗惡劣環(huán)境的能力較強[1]。
1.RFID射頻識別技術
RFID射頻識別，又稱為感應式電子芯片或感應卡、非接觸卡、電子卷標、電子條形碼等。通過這種非接觸式的自動識別技術，作為條形碼的無線版本，應用非常廣泛，如動物芯片、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理等。標簽根據(jù)商家種類的不同能儲存從512B～4MB不等的數(shù)據(jù)。卷標中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的應用和相應的標準決定的。例如，卷標能夠提供產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、存儲情況，也可以辨別機器、動物和個體的身份。卷標還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲產(chǎn)品庫存編號、當前位置、狀態(tài)、售價、批號的信息。相應的，射頻卷標在讀取數(shù)據(jù)時不用參照數(shù)據(jù)庫就可以直接確定代碼的含義[2]。
RFID系統(tǒng)至少包含電子卷標和閱讀器兩部分。電子卷標是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子卷標由卷標天線和卷標專用芯片組成。依據(jù)電子卷標供電方式的不同，電子卷標可以分為有源電子卷標(Active tag)、無源電子卷標(Passive tag)和半無源電子卷標(Semi-passive tag)。有源電子卷標內裝有電池，無源射頻標簽沒有內裝電池，半無源電子卷標(Semi-passive tag)部分依靠電池工作。電子卷標依據(jù)頻率的不同可分為低頻電子卷標、高頻電子卷標、超高頻電子卷標和微波電子卷標。依據(jù)封裝形式的不同可分為信用卡卷標、線形卷標、紙狀卷標、玻璃管卷標、圓形卷標及特殊用途的異形標簽等。RFID閱讀器(讀寫器)通過天線與RFID電子卷標進行無線通信，可以實現(xiàn)對卷標識別碼和內存數(shù)據(jù)的讀出或寫入操作。典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。
2.RFID技術的通信協(xié)議
RFID技術在標簽的數(shù)據(jù)格式上與目前國際主流的標準相匹配，這些主流的標準主要包含了以下幾類：EPC、UID、ISO/IEC、AIM以及IP-X等標準所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，其中針對同一種標準也存在著不同的數(shù)據(jù)編碼格式，如EPC標準中包含了64位、96位以及256位等多種編碼格式。而針對RFID系統(tǒng)的通信協(xié)議則包含了無線通信協(xié)議與有線通信協(xié)議兩種，無線通信協(xié)議主要是指電子標簽與讀寫器間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，為了保證多個電子標簽與無線讀寫器在通信過程中能夠避免沖突的發(fā)生，通常采用ALOHA協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡信道的動態(tài)分配，并解決了在無線網(wǎng)絡中信息傳輸過程中的“沖突消解”問題。其思想可用于任何無協(xié)調關系的標簽共用單一共享信道使用權的應用場合，鑒于多個電子標簽工作在同一頻率，當它們處于同一個讀寫器作用范圍內時，在沒有采取多址訪問控制機制的情況下，當RFID標簽通過無線網(wǎng)絡發(fā)送信息時將會產(chǎn)生沖突，并導致信息讀取失敗。因此，一旦RFID系統(tǒng)檢測到信息“沖突”，則立即停止繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并且將已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀拋棄，而不是繼續(xù)傳完它們的幀，因為反正數(shù)據(jù)幀已遭到破壞。
RFID系統(tǒng)所采用的技術稱為微波反射技術，它基于電子標簽內微波天線的負載阻抗隨儲存的電子數(shù)據(jù)而變化的特點，來實現(xiàn)對電子標簽內電子數(shù)據(jù)的讀取。系統(tǒng)的基本工作流程是：識讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，電子標簽獲得能量被激活；電子標簽將自身編碼等信息通過卡內置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從電子標簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調節(jié)器傳送到識讀器，識讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從電子標簽到識讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的識讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上都很相似，所有識讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。
3.RFID系統(tǒng)應用體系結構
一般而言，軟件應用系統(tǒng)體系結構的意義在于發(fā)現(xiàn)高層的框架以便理解某類系統(tǒng)或其子系統(tǒng)與相關系統(tǒng)的交互作用，并通過在一般化層次下揭示出不同應用系統(tǒng)共享的應用構件，有助于系統(tǒng)的基礎構件和業(yè)務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，這些構件與子系統(tǒng)是可復用的、便宜的、可修改的，并可確定關鍵的互操作性接口和服務。通過多層應用軟件體系結構，將各種應用作為被共享的服務集合，它是一種跨應用、可重用的服務平臺。在這個平臺上，各種應用作為組件可集成或者重組生成新的應用。由于具有靈活的可伸縮特性，非常適合于Internet/Intranet上的應用，并將成為應用系統(tǒng)開發(fā)的主流基礎平臺[3]。由于多層軟件體系結構的層次劃分不是按物理上劃分的，而是從結構邏輯或應用目標來劃分，它可將應用程序和系統(tǒng)中的業(yè)務邏輯獨立出來，組成一層或多層。一方面用來簡化和解決復雜的事務處理，同時也通過支持地理位置分散的業(yè)務模式，實現(xiàn)業(yè)務和數(shù)據(jù)的快速響應，并通過減少網(wǎng)絡負載，提高運算速度，最大程度地減少前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與客戶端的維護工作量。由于多層系統(tǒng)應用體系結構具有以下優(yōu)點。(1)可伸縮性好：可按應用要求部署邏輯層次，易于實現(xiàn)應用擴展。(2)網(wǎng)絡效率高：經(jīng)過合理的布局，通過網(wǎng)絡的傳輸數(shù)據(jù)量大大減少，提高了網(wǎng)絡效率。(3)可管理性強：系統(tǒng)客戶基本實現(xiàn)“零維護”，主要管理工作集中在應用邏輯層，業(yè)務邏輯的修改對客戶層沒有影響。(4)可重用性好。按可提供的服務構筑應用，每種服務可以被不同的應用重用。由于采用面向對象的組件構成，進一步增加了系統(tǒng)的可重用性。 4.RFID技術在校園網(wǎng)中的應用
4.1 RFID在圖書館管理系統(tǒng)中的應用
局域網(wǎng)連入互聯(lián)網(wǎng)的方式非常普遍，基本原理是通過局域網(wǎng)上的服務器共享上網(wǎng)，也就是說局域網(wǎng)上的任何一臺計算機經(jīng)過授權后都可以經(jīng)由服務器共享上網(wǎng)，當然服務器必須安裝相應的代理服務器軟件或進行相關設置。比如校園網(wǎng)通過光纖連入互聯(lián)網(wǎng)，學校內部的電腦可以共享這根光纖上網(wǎng)，光纖局域網(wǎng)內的傳播速率范圍為10～100MB/s[4]。共享上網(wǎng)的速度取決于服務器的帶寬和局域網(wǎng)同時上網(wǎng)電腦的數(shù)據(jù)流量大小等諸多因素。共享上網(wǎng)是一種間接上網(wǎng)方式，對于服務器的上網(wǎng)方式并沒有嚴格的限制，比如ADSL、DDN專線、光纜上網(wǎng)等都可以。共享上網(wǎng)的一個最大的優(yōu)越性是充分利用了服務器的網(wǎng)絡帶寬，并且容易管理，還可以節(jié)省寶貴的IP地址資源，特別適合于企事業(yè)單位、政府部門、高校等使用。
學校圖書館管理。學校圖書館管理系統(tǒng)實現(xiàn)圖書編目及維護、圖書和雜志查詢、借閱查詢、圖書流通、圖書證管理等功能。師生可在網(wǎng)上通過Web瀏覽器進行圖書、期刊的網(wǎng)上檢索(可按書名、著譯者等以及全文檢索)，進行圖書、期刊的網(wǎng)上預約和取消預約；還可借助瀏覽器查詢個人借閱情況，檢索及修改借書證密碼，在網(wǎng)上進行圖書證的掛失和查詢。圖書館是高校重要的資源場所，但傳統(tǒng)的圖書館管理效率卻很低。如館藏文獻資料除了以光學條碼作為辨識碼以外，為了防止圖書被竊，還要在書內粘貼磁條，且在圖書借還時每本都需要翻到貼有條碼的那一頁，給圖書的借還帶來了不便，降低了工作效率。采用RFID技術給圖書貼上電子標簽后，借還圖書就免除了消磁及上磁的工作，且能多本圖書同時借還，借助RFID借還書系統(tǒng)，甚至還能夠實現(xiàn)自助式借還圖書。由于RFID電子標簽具有體積小、放屏蔽效果好、能多標簽同時讀取等優(yōu)點，還能有效地降低館藏圖書的失竊率。
4.2 RFID在門禁系統(tǒng)中的應用
校園門禁管理，一直是困擾學校的大問題。而很多學校都僅僅依靠門衛(wèi)等管理人員解決過濾閑雜人員、監(jiān)督校內貴重物品出入等棘手問題。這種方法往往需要較多人力物力卻存在很多漏洞，比如無法十分有效的準確分辨出非在校人員，控制特定物品的出入等。這就需要開發(fā)及運用先進的智能門禁系統(tǒng)。
RFID技術應用于智能門禁系統(tǒng)的.主要優(yōu)勢有：RFID卡可遠距離讀取、可多卡同時讀取，有效地解決了因校門人流量大而鑒別難的問題；RFID標簽成本較低、ID號唯一、標簽讀取可有效防止屏蔽，用其來作為資產(chǎn)跟蹤，可對資產(chǎn)進行有效監(jiān)管，并可做到信息記錄無紙化和降低人為因素的效果；RFID卡的應用配合校園綜合管理系統(tǒng)，將會使高校更加安全，管理更加精準可靠。
對于新型門禁系統(tǒng)來說，門禁制度也必須進行調整。如教師的私家車貼有RFID標簽，教師帶有RFID卡；車出校時系統(tǒng)自動檢測車主信息和車輛信息并記錄時間，如一致可放行，如不符，不予放行并報警；假如車主忘帶RFID卡，可輸入放行密碼，如正確可放行。以上制度即為：卡和密碼雙通行制。再如貴重物品出校，當事人可申請出校密碼，密碼由系統(tǒng)隨機產(chǎn)生，并連同帶出物清單一同打印交給當事人，同時申請信息則經(jīng)過網(wǎng)絡送達至校門的監(jiān)控微機，由校衛(wèi)人工檢查，當事人出校時必須交驗本人信息憑證(RFID卡)和密碼單，此時系統(tǒng)自動記錄以備查。
4.3 RFID在校園一卡通系統(tǒng)中的應用
在數(shù)字化校園中，將RFID與網(wǎng)絡和信息管理系統(tǒng)相結合，建立起完整的、統(tǒng)一的、資源共享的高校綜合管理系統(tǒng)，可極大地提升高校管理的效率和效度。其中，校園一卡通系統(tǒng)是數(shù)字化校園的基礎工程，以校園一卡通系統(tǒng)為平臺，實現(xiàn)以人為本，從高校環(huán)境、資源到活動的全部數(shù)字化管理，將很好的滿足高校數(shù)字化建設的需求及目的。基于RFID的校園一卡通系統(tǒng)是以RFID射頻卡為信息載體，適用于校園消費和管理的分布式系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，RFID卡取代了在學校管理和生活中所使用的多種個人證件和現(xiàn)金支付手段，實現(xiàn)了學籍管理、身份認證、生活消費等多種功能。校園RFID卡的推廣使用將極大地方便學生、教工的生活，減輕攜帶各種證件的煩惱，并可與學校其他信息基礎設施相配合，促進校園信息化管理水平的提高。校園RFID卡集：學生證、工作證、身份證、借書證、醫(yī)療證、會員證、餐卡、錢包、存折等于一身，應用范圍可包括：①學生管理：成績單、注冊；②身份認證：圖書館、宿舍樓、實驗室、校醫(yī)院、機房；③交費：學費、上機、醫(yī)療；④用餐：餐廳、食堂；⑤購物：校超市、教材部；⑥娛樂：俱樂部、體育館；⑦金融：存款、取款、匯款等。
校園一卡通系統(tǒng)的建設面臨部門多、資金流量大，存儲信息量大等問題，但它的使用范圍廣、卡片利用率高，它的成功實施將給校園帶來極大的方便。充分利用RFID電子標簽存儲容量大、讀寫性能好、經(jīng)久耐用、智能化等特點，可替代傳統(tǒng)的磁卡或IC卡，將高校傳統(tǒng)發(fā)放的多種卡集成到一張RFID卡中，加上持卡人綜合信息的共享，可很好的解決這些問題。
4.4 RFID在其他系統(tǒng)的應用
校園網(wǎng)設有安全防范系統(tǒng)、電視及廣播音樂系統(tǒng)、智能火災報警系統(tǒng)，使校園環(huán)境安全舒適。(1)校園安全防范系統(tǒng)校園安全防范及報警系統(tǒng)是智能校園實現(xiàn)安全管理的重要系統(tǒng)，主要包括電視監(jiān)控、周界防范、出入口控制、消防報警等。在校園的出人口、周界、車庫以及重要場所設置監(jiān)視點，電視攝像機的設置及顯示方式與通常的智能建筑基本相似。在校園的圍墻上設置主動紅外對射式探測器，防止罪犯由圍墻翻入校園內作案，保證校園內師生們的安全。在校園內設置電子巡更系統(tǒng)，讓保安人員定時定路線對校園內進行巡視，以彌補其他技防手段的不足，及時發(fā)現(xiàn)可疑情況，防患于未然。對校園的出入口、重要的儀器設備室進行監(jiān)視與控制，為學生與教師及保安人員配備不同級別的IC卡，對人員出入校園進行身份鑒別、確認及出人信息登記，并提供人員出入校園信息的登記與查詢功能。在校園的各個樓棟內設置火災報警系統(tǒng)，并與消防控制中心聯(lián)動控制，具體設置方法與一般智能建筑相似。(2)校園電視及廣播音樂系統(tǒng)校園電視包括有線電視系統(tǒng)、會議視頻系統(tǒng)等。有線電視系統(tǒng)用于校園廣播電視臺的廣播，是豐富師生校園生活、為教學服務的重要手段。每個教室至少放置一臺電視機(也可以是投影儀)，節(jié)目來源可以是校園電視臺的現(xiàn)場直播或錄像，也可以是自行接收的衛(wèi)星電視節(jié)目，還可以播接城市有線電視系統(tǒng)，作為其主要的節(jié)目來源。該系統(tǒng)具有上行控制信號傳輸功能，可以在需要的時候直接點播存放在多媒體教學服務器上的視頻信號。
5.結論
RFID作為一項古老而年輕的技術，以其獨特的技術魅力被應用于社會生產(chǎn)和生活很多領域已有較長時間了，但其在中國的應用還處于起步階段，隨著成本的下降，性能的提升和標準化的實施，RFID的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趨勢。RFID將以其自身獨特的技術優(yōu)勢為高校信息化、數(shù)字化建設作出杰出的貢獻。 [科]
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