伍德鵬　林灃

【摘 要】本文論述高職院校校園安全管理平臺設計，提出基于射頻識別技術(shù)（RFID）構(gòu)建包括學生信息管理、校園出入管理、宿舍管理、校園充值消費、設備管理等子系統(tǒng)在內(nèi)的校園安全管理平臺，介紹各個子系統(tǒng)的功能，分析并構(gòu)建包括感知層、通信網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用支撐層、平臺服務層、終端訪問設備等在內(nèi)的平臺軟件架構(gòu)，探索RFID、QT、J2EE、Web Service等技術(shù)在平臺中的運用。

【關(guān)鍵詞】射頻識別技術(shù)? 校園安全管理平臺? 軟件架構(gòu)? QT? J2EE

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）11C-0190-03

RFID的全稱是Radio Frequency Identification，即射頻識別技術(shù)，是通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳遞的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。由于RFID傳遞數(shù)據(jù)的媒介是無線電信號，無須在系統(tǒng)和特定目標之間建立機械或光學接觸，相對于傳統(tǒng)的條碼識別、磁卡識別、IC卡識別等，RFID技術(shù)具有無接觸、抗干擾能力強、可同時識別多個目標物品等優(yōu)點，逐漸成為自動識別中應用最廣泛的技術(shù)之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也日趨完善，在許多領域的生產(chǎn)活動中得到廣泛應用，如身份證系統(tǒng)、停車場收費系統(tǒng)、單位門禁系統(tǒng)等。

校園安全工作是學校管理工作的重要組成部分，它直接關(guān)系到青少年學生能否安全、健康地成長。隨著社會的發(fā)展，校園的日常安全管理工作的信息化也日益受到各級管理部門和學校的重視。近十幾年來，RFID（射頻識別）技術(shù)得到長足發(fā)展，技術(shù)已較為成熟，在采集數(shù)據(jù)方面具有識別準確快捷、定位準確、安全可靠等特點，已被廣泛應用到校園的信息化安全管理中。但是由于校園的安全管理工作包含的內(nèi)容較多，包括如校園出入管理、班級學生信息管理、在校行蹤管理、宿舍管理、設備管理等方方面面，加上原有的技術(shù)限制和缺乏統(tǒng)一規(guī)劃等原因，許多學校對各項安全工作的信息管理系統(tǒng)都是單獨開發(fā)的，不但功能較為簡單，而且系統(tǒng)之間互相獨立，不能互相通信;不但開發(fā)成本較高，而且信息采集工作重復、繁雜，容易出錯。因此，探討如何構(gòu)建一個統(tǒng)一的、基于RFID技術(shù)的校園安全管理平臺對學校的安全管理的信息化工作有著重要的意義。

一、平臺系統(tǒng)構(gòu)成

基于RFID技術(shù)的校園安全管理平臺應能涵蓋學校日常的各項安全管理工作，可以劃分多個子系統(tǒng)，分別為學生信息管理、校園出入管理、宿舍管理、校園充值消費、設備管理等子系統(tǒng)，如圖1所示。

學生信息管理子系統(tǒng)是對學生的基本信息進行采集和管理，也是校園安全管理平臺的基礎。包括平臺基礎信息維護、班級信息維護、學生信息的初次錄入和修改，以及RFID無源標簽的發(fā)放、掛失、補辦，子系統(tǒng)對外接口等。其中的核心功能之一是在發(fā)放無源標簽時，確保標簽和學生信息的關(guān)聯(lián)的準確性和唯一性，防止一個標簽被多個學生重復登記，導致信息錯誤。將一個標簽和一個學生關(guān)聯(lián)起來，這是學生在校園的安全管理平臺中的重要標識。無源標簽一般采用IC 卡，又稱智能卡（Smart Card），可采用ISO 14443標準和ISO 14443 TYPE B 協(xié)議，載波頻率為13.56MHz，它不需要安裝電池，有讀寫容量大、加密功能、數(shù)據(jù)記錄可靠、使用方便等特點，數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次，已被廣泛應用在生產(chǎn)自動化、醫(yī)療管理、第二代身份證等領域，適合用于校園安全管理平臺。

校園出入管理子系統(tǒng)是在校門門禁系統(tǒng)的基礎上進行擴展功能的管理系統(tǒng)。一般的門禁系統(tǒng)只有人員出入的禁止和放行等簡單功能，缺少對人員信息和行為的跟蹤和統(tǒng)計，而學校的出入管理子系統(tǒng)有其管理的特殊性，不但要求有普通的門禁功能，如人員出入記錄、外來人員登記等，還要對學生的出入信息進行歸類管理和統(tǒng)計，以便及時掌握學生的在校和離校信息、晚歸信息等。管理方法是學生進出校門時進行刷卡登記（即學生信息管理子系統(tǒng)中發(fā)放的RFID無源標簽），讀卡系統(tǒng)即時采集數(shù)據(jù)，并記錄該學生的卡號、學號、姓名、刷卡時間、出入標記等，子系統(tǒng)自動定期或手工即時地對這些數(shù)據(jù)進行整理和匯總，匯報給學生管理部門，并篩選和跟蹤異常出入的記錄和學生信息，如在正常上課期間出入校門的、晚歸進入校門的、外出未歸的，方便學生管理部門及時、準確地掌握學生的異動情況，及時發(fā)現(xiàn)問題進行教育糾正。

宿舍管理子系統(tǒng)的主要目的是對學生進出宿舍進行安全檢查和記錄，以防止其他無關(guān)人員隨意進出，保護學生的財產(chǎn)安全。同時，學生的IC卡還可以作為宿舍房間的智能卡門鎖的開門鑰匙，使用起來十分安全方便。該子系統(tǒng)主要包括宿舍園區(qū)信息維護，宿舍門禁管理，智能卡門鎖鑰匙開通、凍結(jié)、補辦等功能。

校園充值消費子系統(tǒng)的主要功能是對學生在校園內(nèi)的充值和消費活動進行管理，包括充值管理、每天消費額度限定、食堂和超市消費、水電費的繳費管理、消費功能凍結(jié)等功能模塊。RFID的無源標簽卡都內(nèi)含加密控制邏輯電路和通信邏輯電路，卡的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域分為若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)都有獨立的訪問密碼，保證了數(shù)據(jù)存儲的讀寫安全性;另外，由于卡與讀寫器之間的通信采用國際通用的DES和RES保密交叉算法，具有極高的保密性能，從而保證了通信的安全性。因此，RFID的無源標簽完全滿足了校園充值消費子系統(tǒng)的安全性要求，從技術(shù)上為學生的財產(chǎn)安全保駕護航。每天消費金額模塊是對學生每天消費的金額上限進行管理，一般上限可以預設為每天50元，超過此金額后，此卡當天不能再消費，第二天已消費的金額被重置為零。如學生需要更改限定的金額，需自行到充值管理辦公室提交申請修改。該功能模塊的目的是防止卡不慎丟失后，被他人惡意消費，是保護學生財產(chǎn)安全的措施。充值管理模塊包括IC卡自動識別、學生信息確認、卡充值等功能;食堂和超市消費模塊則是對學生在食堂和超市的消費活動進行即時記錄和扣費計算，并顯示消費金額和卡的余額，對本次消費的余額不足的卡進行提示，同時要記錄消費時間和刷卡機的編號，以便在卡丟失被其他人消費時進行跟蹤和查找。對于超市消費除了計算消費金額和余額外，一般還要記錄消費單號和時間，以備必要時和超市進行對照查詢。水電費的繳費管理模塊主要功能是水電費的自助充值和扣費。自動充值可以采用在學生宿舍樓安裝手觸屏的充值機來完成，也可以通過和支付寶對接，方便學生通過手機進行充值和查詢?？圪M則是根據(jù)每個宿舍的水電費使用的實際情況，對學生的水電費進行計算和扣除，并在水電費余額為零之前及時提醒學生充值。

設備管理子系統(tǒng)的主要功能是對教學設施設備的入庫、借出、歸還和報廢進行跟蹤統(tǒng)一管理。教學設施設備如實驗室儀器、教學設備、體育設備等是學校的重要財產(chǎn)，保證設備安全是學校開展教育教學工作的有力保障。近年來，隨著教學改革的推進，教學手段的不斷豐富，教學設施設備也越來越多。使用傳統(tǒng)模式人工管理這些設施設備不但耗費大量人力物力，而且容易錯漏，資源得不到充分利用和妥善保管，損壞或丟失也不易跟蹤追查。RFID技術(shù)能有效地解決這些問題。設備管理子系統(tǒng)主要包括使用人員信息登記、設備基本信息登記、設備借出、設備歸還、設備封存等功能。每臺設備上都貼有RFID的標簽，作為設備的唯一標識。使用設備的人員也有自己的唯一RFID標簽。系統(tǒng)負責對該設備標簽和人員標簽進行識別，自動記錄人員和設備的關(guān)聯(lián)信息，再加上借用和歸還標記、記錄時間，即可完成對設備的使用跟蹤。

二、平臺軟件架構(gòu)

一個完整的安全管理平臺系統(tǒng)，功能較為復雜，涉及的技術(shù)面較廣，如RFID識別、串口訪問和通信、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)應用、對外接口開發(fā)以及終端通信等。如何將這些技術(shù)有機地結(jié)合起來，形成一個完整的系統(tǒng)，是平臺構(gòu)建要解決的問題。平臺的軟件架構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，平臺架構(gòu)一共分為六層，從下往上分別是感知層、通信網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用支撐層、平臺服務層和終端訪問設備。其中，網(wǎng)絡安全是貫穿整個平臺的共性技術(shù)，也是整個平臺設計時要特別關(guān)注的問題。感知層主要是采用讀卡器對RFID無源標簽進行識別，經(jīng)由串口連接和通信網(wǎng)絡層的傳輸，最終將標簽唯一標識符以及其他數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)層進行存儲，從而得到平臺的必須采集信息。在此基礎上，利用應用支撐層的QODBC、QT Creator、JDBC、J2EE等技術(shù)和工具，開發(fā)平臺系統(tǒng)以及對外統(tǒng)一接口、云計算等應用。最后，終端訪問設備如PC機、智能手機等可以通過服務器地址來訪問各子系統(tǒng)應用。

三、關(guān)鍵技術(shù)

平臺設計設計許多技術(shù)，其中有幾個關(guān)鍵技術(shù)需要重點解決。分別是RFID系統(tǒng)構(gòu)成及其相關(guān)技術(shù)、QT平臺技術(shù)、J2EE技術(shù)、Web Service技術(shù)。

（一）RFID系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)技術(shù)。一個完整的RFID系統(tǒng)包括標簽、讀寫器和計算機系統(tǒng)三部分。標簽是標識身份和記錄數(shù)據(jù)的載體，一般記錄較簡單的數(shù)據(jù)，如身份識別碼、基本個人信息、鎖定標識、卡上余額等。在讀取過程中，讀寫器在工作狀態(tài)下，不斷地向外發(fā)射無線電信號，以尋找并激活靠近讀寫器的標簽，使標簽獲得能量并開始工作，從而完成兩者交換數(shù)據(jù)的過程。最后，讀寫器可通過串口通信或其他方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給計算機處理。其寫卡過程和讀取過程的方向相反，先由計算機發(fā)出指令，將組裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器，讀寫器再通過尋卡和寫卡完成操作。計算機和讀寫器之間的通信一般可采用串口連接，由QT平臺的第三方串口操作封裝庫QextSerialPort完成串口通信（QT 5.0及后續(xù)版本已集成該封裝庫），QextSerialPort采用QT平臺的信號（signal）和槽（slot）機制來對讀寫器的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和響應。

（二）QT平臺技術(shù)。QT是由QT Company開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，并同步發(fā)布開發(fā)工具QT Creator。QT平臺開發(fā)的程序具有優(yōu)良的跨平臺特性，支持Microsoft Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)，設計上完全面向?qū)ο螅子跀U展，還提供了豐富的窗口部件和API，配套完整的開發(fā)文檔，在桌面程序開發(fā)和嵌入式開發(fā)方面方便快捷，運行效率高，優(yōu)勢明顯。其中，信號和槽機制是QT的核心機制。所有從QObject或其子類（例如Qwidget）派生的類都包含有信號和槽。當對象的狀態(tài)被改變時，對象就發(fā)射（emit）一個信號出去，槽用于接收和處理這個信號。當信號和槽被正確連接在一起時，它們之間就組成了一個能夠即時響應的系統(tǒng)，需要注意的是槽函數(shù)必須和信號的參數(shù)保持一致。

（三）J2EE技術(shù)。J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）是一組技術(shù)規(guī)范，這些技術(shù)規(guī)范包括JDBC（Java Database Connectivity）、JNDI（Java Naming and Directory Interface）、EJB（Enterprise JavaBean）等，規(guī)定了企業(yè)級應用開發(fā)中各個類組件、服務架構(gòu)和技術(shù)層次的標準和規(guī)格，使得原來非常復雜的企業(yè)級應用開發(fā)變得簡單，提高了可移植性和重用性，并解決了各個應用系統(tǒng)之間無法兼容和通信的問題。其中，EJB是J2EE架構(gòu)的核心技術(shù)，也是系統(tǒng)構(gòu)成的核心組件，封裝了業(yè)務邏輯（Session EJB）和數(shù)據(jù)訪問操作（Entity EJB）。

（四）Web service技術(shù)。Web service技術(shù)是一個平臺獨立的、低耦合的、自包含的、基于可編程的web的應用程序，可使用開放的XML（標準通用標記語言下的一個子集）標準來描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置這些應用程序，用于開發(fā)分布式的互操作的應用程序。它能使得運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。Web Service采用標準通用標記語言XML來傳輸結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并采用SOAP（Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協(xié)議）進行跨系統(tǒng)接口發(fā)布和訪問，具有良好的開放性和跨平臺特性，使得平臺子系統(tǒng)之間的通信較為容易。

上述結(jié)合校園安全的信息化管理問題，提出基于RFID技術(shù)的平臺設計方案。在實際設計中，包括的設計問題和技術(shù)細節(jié)還有很多，由于篇幅所限，未能全部涉及，只針對其整體和關(guān)鍵部分提出一個大致的方案，希望起到拋磚引玉的作用。

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