RFID技術(shù)在校園網(wǎng)應(yīng)用研究的論文
【摘 要】射頻技術(shù)RFID的基本原理是電磁理論。射頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不局限視線范圍,識別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn),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(diǎn)分析RFID射頻技術(shù)的基礎(chǔ)上,探討RFID的通信協(xié)議,并重點(diǎn)分析RFID技術(shù)在校園網(wǎng)中應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】RFID技術(shù);校園網(wǎng);射頻識別
射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是相對較新的自動識別技術(shù),它可以通過非接觸的方式識讀信息,通過感應(yīng)、無線電波或微波能量進(jìn)行雙向通信,保密性和抗惡劣環(huán)境的能力較強(qiáng)[1]。
1.RFID射頻識別技術(shù)
RFID射頻識別,又稱為感應(yīng)式電子芯片或感應(yīng)卡、非接觸卡、電子卷標(biāo)、電子條形碼等。通過這種非接觸式的自動識別技術(shù),作為條形碼的無線版本,應(yīng)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(biāo)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(biāo)中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。例如,卷標(biāo)能夠提供產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲情況,也可以辨別機(jī)器、動物和個體的身份。卷標(biāo)還可以連接到數(shù)據(jù)庫,存儲產(chǎn)品庫存編號、當(dāng)前位置、狀態(tài)、售價、批號的信息。相應(yīng)的,射頻卷標(biāo)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(biāo)和閱讀器兩部分。電子卷標(biāo)是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體,電子卷標(biāo)由卷標(biāo)天線和卷標(biāo)專用芯片組成。依據(jù)電子卷標(biāo)供電方式的不同,電子卷標(biāo)可以分為有源電子卷標(biāo)(Active tag)、無源電子卷標(biāo)(Passive tag)和半無源電子卷標(biāo)(Semi-passive tag)。有源電子卷標(biāo)內(nèi)裝有電池,無源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池,半無源電子卷標(biāo)(Semi-passive tag)部分依靠電池工作。電子卷標(biāo)依據(jù)頻率的不同可分為低頻電子卷標(biāo)、高頻電子卷標(biāo)、超高頻電子卷標(biāo)和微波電子卷標(biāo)。依據(jù)封裝形式的不同可分為信用卡卷標(biāo)、線形卷標(biāo)、紙狀卷標(biāo)、玻璃管卷標(biāo)、圓形卷標(biāo)及特殊用途的異形標(biāo)簽等。RFID閱讀器(讀寫器)通過天線與RFID電子卷標(biāo)進(jìn)行無線通信,可以實(shí)現(xiàn)對卷標(biāo)識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮。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(shù)的通信協(xié)議
RFID技術(shù)在標(biāo)簽的數(shù)據(jù)格式上與目前國際主流的標(biāo)準(zhǔn)相匹配,這些主流的標(biāo)準(zhǔn)主要包含了以下幾類:EPC、UID、ISO/IEC、AIM以及IP-X等標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式,其中針對同一種標(biāo)準(zhǔn)也存在著不同的數(shù)據(jù)編碼格式,如EPC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道的動態(tài)分配,并解決了在無線網(wǎng)絡(luò)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(diào)關(guān)系的標(biāo)簽共用單一共享信道使用權(quán)的應(yīng)用場合,鑒于多個電子標(biāo)簽工作在同一頻率,當(dāng)它們處于同一個讀寫器作用范圍內(nèi)時,在沒有采取多址訪問控制機(jī)制的情況下,當(dāng)RFID標(biāo)簽通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時將會產(chǎn)生沖突,并導(dǎo)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(shù)稱為微波反射技術(shù),它基于電子標(biāo)簽內(nèi)微波天線的負(fù)載阻抗隨儲存的電子數(shù)據(jù)而變化的特點(diǎn),來實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽內(nèi)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(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流,電子標(biāo)簽獲得能量被激活;電子標(biāo)簽將自身編碼等信息通過卡內(nèi)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(biāo)簽發(fā)送來的載波信號,經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到識讀器,識讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性,針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從電子標(biāo)簽到識讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負(fù)載調(diào)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(shè)計構(gòu)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(yīng)用體系結(jié)構(gòu)
一般而言,軟件應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(guān)系統(tǒng)的交互作用,并通過在一般化層次下揭示出不同應(yīng)用系統(tǒng)共享的應(yīng)用構(gòu)件,有助于系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)件和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),這些構(gòu)件與子系統(tǒng)是可復(fù)用的、便宜的、可修改的,并可確定關(guān)鍵的互操作性接口和服務(wù)。通過多層應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu),將各種應(yīng)用作為被共享的服務(wù)集合,它是一種跨應(yīng)用、可重用的服務(wù)平臺。在這個平臺上,各種應(yīng)用作為組件可集成或者重組生成新的應(yīng)用。由于具有靈活的可伸縮特性,非常適合于Internet/Intranet上的應(yīng)用,并將成為應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的主流基礎(chǔ)平臺[3]。由于多層軟件體系結(jié)構(gòu)的層次劃分不是按物理上劃分的,而是從結(jié)構(gòu)邏輯或應(yīng)用目標(biāo)來劃分,它可將應(yīng)用程序和系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯獨(dú)立出來,組成一層或多層。一方面用來簡化和解決復(fù)雜的事務(wù)處理,同時也通過支持地理位置分散的業(yè)務(wù)模式,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的快速響應(yīng),并通過減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,提高運(yùn)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(hù)工作量。由于多層系統(tǒng)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)可伸縮性好:可按應(yīng)用要求部署邏輯層次,易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用擴(kuò)展。(2)網(wǎng)絡(luò)效率高:經(jīng)過合理的布局,通過網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量大大減少,提高了網(wǎng)絡(luò)效率。(3)可管理性強(qiáng):系統(tǒng)客戶基本實(shí)現(xiàn)“零維護(hù)”,主要管理工作集中在應(yīng)用邏輯層,業(yè)務(wù)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(wù)構(gòu)筑應(yīng)用,每種服務(wù)可以被不同的應(yīng)用重用。由于采用面向?qū)ο蟮慕M件構(gòu)成,進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的可重用性。 4.RFID技術(shù)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用
4.1 RFID在圖書館管理系統(tǒng)中的應(yīng)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(wù)器共享上網(wǎng),也就是說局域網(wǎng)上的任何一臺計算機(jī)經(jīng)過授權(quán)后都可以經(jīng)由服務(wù)器共享上網(wǎng),當(dāng)然服務(wù)器必須安裝相應(yīng)的代理服務(wù)器軟件或進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。比如校園網(wǎng)通過光纖連入互聯(lián)網(wǎng),學(xué)校內(nèi)部的電腦可以共享這根光纖上網(wǎng),光纖局域網(wǎng)內(nèi)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(wù)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(wù)器的上網(wǎng)方式并沒有嚴(yán)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(wù)器的網(wǎng)絡(luò)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(xué)校圖書館管理。學(xué)校圖書館管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖書編目及維護(hù)、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(jìn)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(jìn)行圖書、期刊的網(wǎng)上預(yù)約和取消預(yù)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(jìn)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(xiàn)資料除了以光學(xué)條碼作為辨識碼以外,為了防止圖書被竊,還要在書內(nèi)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(shù)給圖書貼上電子標(biāo)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?qū)崿F(xiàn)自助式借還圖書。由于RFID電子標(biāo)簽具有體積小、放屏蔽效果好、能多標(biāo)簽同時讀取等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用
校園門禁管理,一直是困擾學(xué)校的大問題。而很多學(xué)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(nèi)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(zhǔn)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(yùn)用先進(jìn)的智能門禁系統(tǒng)。
RFID技術(shù)應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)的.主要優(yōu)勢有:RFID卡可遠(yuǎn)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(biāo)簽成本較低、ID號唯一、標(biāo)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(jìn)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(yīng)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(zhǔn)可靠。
對于新型門禁系統(tǒng)來說,門禁制度也必須進(jìn)行調(diào)整。如教師的私家車貼有RFID標(biāo)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(dāng)事人可申請出校密碼,密碼由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生,并連同帶出物清單一同打印交給當(dāng)事人,同時申請信息則經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)送達(dá)至校門的監(jiān)控微機(jī),由校衛(wèi)人工檢查,當(dāng)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(yīng)用
在數(shù)字化校園中,將RFID與網(wǎng)絡(luò)和信息管理系統(tǒng)相結(jié)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(chǔ)工程,以校園一卡通系統(tǒng)為平臺,實(shí)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(shè)的需求及目的;赗FID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(fèi)和管理的分布式系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,RFID卡取代了在學(xué)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(shí)現(xiàn)了學(xué)籍管理、身份認(rèn)證、生活消費(fèi)等多種功能。校園RFID卡的推廣使用將極大地方便學(xué)生、教工的生活,減輕攜帶各種證件的煩惱,并可與學(xué)校其他信息基礎(chǔ)設(shè)施相配合,促進(jìn)校園信息化管理水平的提高。校園RFID卡集:學(xué)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(yīng)用范圍可包括:①學(xué)生管理:成績單、注冊;②身份認(rèn)證:圖書館、宿舍樓、實(shí)驗室、校醫(yī)院、機(jī)房;③交費(fèi):學(xué)費(fèi)、上機(jī)、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(shè)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(shí)施將給校園帶來極大的方便。充分利用RFID電子標(biāo)簽存儲容量大、讀寫性能好、經(jīng)久耐用、智能化等特點(diǎn),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(yīng)用
校園網(wǎng)設(shè)有安全防范系統(tǒng)、電視及廣播音樂系統(tǒng)、智能火災(zāi)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(shí)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(shè)置監(jiān)視點(diǎn),電視攝像機(jī)的設(shè)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(shè)置主動紅外對射式探測器,防止罪犯由圍墻翻入校園內(nèi)作案,保證校園內(nèi)師生們的安全。在校園內(nèi)設(shè)置電子巡更系統(tǒng),讓保安人員定時定路線對校園內(nèi)進(jìn)行巡視,以彌補(bǔ)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(shè)備室進(jìn)行監(jiān)視與控制,為學(xué)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(jìn)行身份鑒別、確認(rèn)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(nèi)設(shè)置火災(zāi)報警系統(tǒng),并與消防控制中心聯(lián)動控制,具體設(shè)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(xué)服務(wù)的重要手段。每個教室至少放置一臺電視機(jī)(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(diǎn)播存放在多媒體教學(xué)服務(wù)器上的視頻信號。
5.結(jié)論
RFID作為一項古老而年輕的技術(shù),以其獨(dú)特的技術(shù)魅力被應(yīng)用于社會生產(chǎn)和生活很多領(lǐng)域已有較長時間了,但其在中國的應(yīng)用還處于起步階段,隨著成本的下降,性能的提升和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施,RFID的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。RFID將以其自身獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢為高校信息化、數(shù)字化建設(shè)作出杰出的貢獻(xiàn)。 [科]
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