RFID技术在校园网应用研究的论文
【摘 要】射频技术RFID的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限视线范围，识别距离比光学系统远，射频识别卡可具有读写能力，可携带大量数据、难伪造和有智能等。本文在重点分析RFID射频技术的基础上，探讨RFID的通信协议，并重点分析RFID技术在校园网中应用。
【关键词】RFID技术；校园网；射频识别
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是相对较新的自动识别技术，它可以通过非接触的方式识读信息，通过感应、无线电波或微波能量进行双向通信，保密性和抗恶劣环境的能力较强[1]。
1.RFID射频识别技术
RFID射频识别，又称为感应式电子芯片或感应卡、非接触卡、电子卷标、电子条形码等。通过这种非接触式的自动识别技术，作为条形码的无线版本，应用非常广泛，如动物芯片、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等。标签根据商家种类的不同能储存从512B～4MB不等的数据。卷标中储存的数据是由系统的应用和相应的标准决定的。例如，卷标能够提供产品生产、运输、存储情况，也可以辨别机器、动物和个体的身份。卷标还可以连接到数据库，存储产品库存编号、当前位置、状态、售价、批号的信息。相应的，射频卷标在读取数据时不用参照数据库就可以直接确定代码的含义[2]。
RFID系统至少包含电子卷标和阅读器两部分。电子卷标是射频识别系统的数据载体，电子卷标由卷标天线和卷标专用芯片组成。依据电子卷标供电方式的不同，电子卷标可以分为有源电子卷标(Active tag)、无源电子卷标(Passive tag)和半无源电子卷标(Semi-passive tag)。有源电子卷标内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子卷标(Semi-passive tag)部分依靠电池工作。电子卷标依据频率的不同可分为低频电子卷标、高频电子卷标、超高频电子卷标和微波电子卷标。依据封装形式的不同可分为信用卡卷标、线形卷标、纸状卷标、玻璃管卷标、圆形卷标及特殊用途的异形标签等。RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID电子卷标进行无线通信，可以实现对卷标识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。
2.RFID技术的通信协议
RFID技术在标签的数据格式上与目前国际主流的标准相匹配，这些主流的标准主要包含了以下几类：EPC、UID、ISO/IEC、AIM以及IP-X等标准所规定的数据格式，其中针对同一种标准也存在着不同的数据编码格式，如EPC标准中包含了64位、96位以及256位等多种编码格式。而针对RFID系统的通信协议则包含了无线通信协议与有线通信协议两种，无线通信协议主要是指电子标签与读写器间的数据传输协议，为了保证多个电子标签与无线读写器在通信过程中能够避免冲突的发生，通常采用ALOHA协议来实现网络信道的动态分配，并解决了在无线网络中信息传输过程中的“冲突消解”问题。其思想可用于任何无协调关系的标签共用单一共享信道使用权的应用场合，鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范围内时，在没有采取多址访问控制机制的情况下，当RFID标签通过无线网络发送信息时将会产生冲突，并导致信息读取失败。因此，一旦RFID系统检测到信息“冲突”，则立即停止继续发送数据帧，并且将已发送的数据帧抛弃，而不是继续传完它们的帧，因为反正数据帧已遭到破坏。
RFID系统所采用的技术称为微波反射技术，它基于电子标签内微波天线的负载阻抗随储存的电子数据而变化的特点，来实现对电子标签内电子数据的读取。系统的基本工作流程是：识读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到识读器，识读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从电子标签到识读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的识读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有识读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。
3.RFID系统应用体系结构
一般而言，软件应用系统体系结构的意义在于发现高层的框架以便理解某类系统或其子系统与相关系统的交互作用，并通过在一般化层次下揭示出不同应用系统共享的应用构件，有助于系统的基础构件和业务系统的设计与实现，这些构件与子系统是可复用的、便宜的、可修改的，并可确定关键的互操作性接口和服务。通过多层应用软件体系结构，将各种应用作为被共享的服务集合，它是一种跨应用、可重用的服务平台。在这个平台上，各种应用作为组件可集成或者重组生成新的应用。由于具有灵活的可伸缩特性，非常适合于Internet/Intranet上的应用，并将成为应用系统开发的主流基础平台[3]。由于多层软件体系结构的层次划分不是按物理上划分的，而是从结构逻辑或应用目标来划分，它可将应用程序和系统中的业务逻辑独立出来，组成一层或多层。一方面用来简化和解决复杂的事务处理，同时也通过支持地理位置分散的业务模式，实现业务和数据的快速响应，并通过减少网络负载，提高运算速度，最大程度地减少前端系统的数据获取与客户端的维护工作量。由于多层系统应用体系结构具有以下优点。(1)可伸缩性好：可按应用要求部署逻辑层次，易于实现应用扩展。(2)网络效率高：经过合理的布局，通过网络的传输数据量大大减少，提高了网络效率。(3)可管理性强：系统客户基本实现“零维护”，主要管理工作集中在应用逻辑层，业务逻辑的修改对客户层没有影响。(4)可重用性好。按可提供的服务构筑应用，每种服务可以被不同的应用重用。由于采用面向对象的组件构成，进一步增加了系统的可重用性。 4.RFID技术在校园网中的应用
4.1 RFID在图书馆管理系统中的应用
局域网连入互联网的方式非常普遍，基本原理是通过局域网上的服务器共享上网，也就是说局域网上的任何一台计算机经过授权后都可以经由服务器共享上网，当然服务器必须安装相应的代理服务器软件或进行相关设置。比如校园网通过光纤连入互联网，学校内部的电脑可以共享这根光纤上网，光纤局域网内的传播速率范围为10～100MB/s[4]。共享上网的速度取决于服务器的带宽和局域网同时上网电脑的数据流量大小等诸多因素。共享上网是一种间接上网方式，对于服务器的上网方式并没有严格的限制，比如ADSL、DDN专线、光缆上网等都可以。共享上网的一个最大的优越性是充分利用了服务器的网络带宽，并且容易管理，还可以节省宝贵的IP地址资源，特别适合于企事业单位、政府部门、高校等使用。
学校图书馆管理。学校图书馆管理系统实现图书编目及维护、图书和杂志查询、借阅查询、图书流通、图书证管理等功能。师生可在网上通过Web浏览器进行图书、期刊的网上检索(可按书名、著译者等以及全文检索)，进行图书、期刊的网上预约和取消预约；还可借助浏览器查询个人借阅情况，检索及修改借书证密码，在网上进行图书证的挂失和查询。图书馆是高校重要的资源场所，但传统的图书馆管理效率却很低。如馆藏文献资料除了以光学条码作为辨识码以外，为了防止图书被窃，还要在书内粘贴磁条，且在图书借还时每本都需要翻到贴有条码的那一页，给图书的借还带来了不便，降低了工作效率。采用RFID技术给图书贴上电子标签后，借还图书就免除了消磁及上磁的工作，且能多本图书同时借还，借助RFID借还书系统，甚至还能够实现自助式借还图书。由于RFID电子标签具有体积小、放屏蔽效果好、能多标签同时读取等优点，还能有效地降低馆藏图书的失窃率。
4.2 RFID在门禁系统中的应用
校园门禁管理，一直是困扰学校的大问题。而很多学校都仅仅依靠门卫等管理人员解决过滤闲杂人员、监督校内贵重物品出入等棘手问题。这种方法往往需要较多人力物力却存在很多漏洞，比如无法十分有效的准确分辨出非在校人员，控制特定物品的出入等。这就需要开发及运用先进的智能门禁系统。
RFID技术应用于智能门禁系统的.主要优势有：RFID卡可远距离读取、可多卡同时读取，有效地解决了因校门人流量大而鉴别难的问题；RFID标签成本较低、ID号唯一、标签读取可有效防止屏蔽，用其来作为资产跟踪，可对资产进行有效监管，并可做到信息记录无纸化和降低人为因素的效果；RFID卡的应用配合校园综合管理系统，将会使高校更加安全，管理更加精准可靠。
对于新型门禁系统来说，门禁制度也必须进行调整。如教师的私家车贴有RFID标签，教师带有RFID卡；车出校时系统自动检测车主信息和车辆信息并记录时间，如一致可放行，如不符，不予放行并报警；假如车主忘带RFID卡，可输入放行密码，如正确可放行。以上制度即为：卡和密码双通行制。再如贵重物品出校，当事人可申请出校密码，密码由系统随机产生，并连同带出物清单一同打印交给当事人，同时申请信息则经过网络送达至校门的监控微机，由校卫人工检查，当事人出校时必须交验本人信息凭证(RFID卡)和密码单，此时系统自动记录以备查。
4.3 RFID在校园一卡通系统中的应用
在数字化校园中，将RFID与网络和信息管理系统相结合，建立起完整的、统一的、资源共享的高校综合管理系统，可极大地提升高校管理的效率和效度。其中，校园一卡通系统是数字化校园的基础工程，以校园一卡通系统为平台，实现以人为本，从高校环境、资源到活动的全部数字化管理，将很好的满足高校数字化建设的需求及目的。基于RFID的校园一卡通系统是以RFID射频卡为信息载体，适用于校园消费和管理的分布式系统。在该系统中，RFID卡取代了在学校管理和生活中所使用的多种个人证件和现金支付手段，实现了学籍管理、身份认证、生活消费等多种功能。校园RFID卡的推广使用将极大地方便学生、教工的生活，减轻携带各种证件的烦恼，并可与学校其他信息基础设施相配合，促进校园信息化管理水平的提高。校园RFID卡集：学生证、工作证、身份证、借书证、医疗证、会员证、餐卡、钱包、存折等于一身，应用范围可包括：①学生管理：成绩单、注册；②身份认证：图书馆、宿舍楼、实验室、校医院、机房；③交费：学费、上机、医疗；④用餐：餐厅、食堂；⑤购物：校超市、教材部；⑥娱乐：俱乐部、体育馆；⑦金融：存款、取款、汇款等。
校园一卡通系统的建设面临部门多、资金流量大，存储信息量大等问题，但它的使用范围广、卡片利用率高，它的成功实施将给校园带来极大的方便。充分利用RFID电子标签存储容量大、读写性能好、经久耐用、智能化等特点，可替代传统的磁卡或IC卡，将高校传统发放的多种卡集成到一张RFID卡中，加上持卡人综合信息的共享，可很好的解决这些问题。
4.4 RFID在其他系统的应用
校园网设有安全防范系统、电视及广播音乐系统、智能火灾报警系统，使校园环境安全舒适。(1)校园安全防范系统校园安全防范及报警系统是智能校园实现安全管理的重要系统，主要包括电视监控、周界防范、出入口控制、消防报警等。在校园的出人口、周界、车库以及重要场所设置监视点，电视摄像机的设置及显示方式与通常的智能建筑基本相似。在校园的围墙上设置主动红外对射式探测器，防止罪犯由围墙翻入校园内作案，保证校园内师生们的安全。在校园内设置电子巡更系统，让保安人员定时定路线对校园内进行巡视，以弥补其他技防手段的不足，及时发现可疑情况，防患于未然。对校园的出入口、重要的仪器设备室进行监视与控制，为学生与教师及保安人员配备不同级别的IC卡，对人员出入校园进行身份鉴别、确认及出人信息登记，并提供人员出入校园信息的登记与查询功能。在校园的各个楼栋内设置火灾报警系统，并与消防控制中心联动控制，具体设置方法与一般智能建筑相似。(2)校园电视及广播音乐系统校园电视包括有线电视系统、会议视频系统等。有线电视系统用于校园广播电视台的广播，是丰富师生校园生活、为教学服务的重要手段。每个教室至少放置一台电视机(也可以是投影仪)，节目来源可以是校园电视台的现场直播或录像，也可以是自行接收的卫星电视节目，还可以播接城市有线电视系统，作为其主要的节目来源。该系统具有上行控制信号传输功能，可以在需要的时候直接点播存放在多媒体教学服务器上的视频信号。
5.结论
RFID作为一项古老而年轻的技术，以其独特的技术魅力被应用于社会生产和生活很多领域已有较长时间了，但其在中国的应用还处于起步阶段，随着成本的下降，性能的提升和标准化的实施，RFID的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。RFID将以其自身独特的技术优势为高校信息化、数字化建设作出杰出的贡献。 [科]
【参考文献】
［１］饶元,陆淑敏,杨宝刚编著.面向价值链的RFID体系架构与企业应用[M].科学出版社,2007.09.
［２］徐维.校园信息化建设中的RFID应用方案[J].孝感学院学报，2009.05：146-147.
［３］杨阳.基于RFID技术的校园一卡通系统安全研究[D].天津大学,2011.11:101-102.
［４］黄爽.RFID与UIM（SIM）结合的校园一卡通系统设计与实现[D].解放军信息工程大学,2010.04:92-94.