一段時間以來，校園安全引起了政府部門的高度重視，各地相繼設計建設了一些平安校園應用系統(tǒng),使家長和老師能及時掌握學生進出校情況。這種平安校園系統(tǒng)可作為對學生安全和遲到、曠課行為進行監(jiān)護的有效手段。

本文以作者參與設計的西安平安校園系統(tǒng)為背景,對基于物聯(lián)網的平安校園系統(tǒng)的結構原理和關鍵技術進行了介紹和分析。該系統(tǒng)采用先進的遠距離射頻識別、互聯(lián)網、移動通信和自動控制等技術，可覆蓋西安市所有區(qū)縣并擁有500多個子系統(tǒng)以及幾十萬張射頻卡和手機用戶，是物聯(lián)網在國內大規(guī)模應用的一個具體實例。

1  總體結構與工作過程

西安平安校園系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)按信息傳遞路徑，自下而上依次為感知層、校級信息處理層、網絡層、短信發(fā)布層以及綜合業(yè)務管理平臺。每所學校一臺校級服務器，各自通過互聯(lián)網VPN連接短信網關和綜合業(yè)務管理平臺。

本校園平安系統(tǒng)的工作過程是：當佩帶有唯一號碼射頻卡的學生進出校門時，安裝在校門通道的讀卡器就會檢測到射頻卡的卡號等信息，校級服務器將對讀卡器送來的信息按一定規(guī)則進行處理，以判斷學生進出，并根據卡號提取家長手機號碼，向短信網關發(fā)送該學生幾點幾分進出學校的信息，再由短信網關向學生家長發(fā)送手機短信。

2  射頻識別技術及平安校園系統(tǒng)的特點

射頻識別技術是一種利用射頻信號并通過交變電磁場空間耦合來實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息來進行識別的新技術，系統(tǒng)使用低頻、高頻、超高頻等幾個頻段，其基本組成包括射頻卡（電子標簽）、讀卡器/天線、信息處理器等。讀寫器/天線可接收來自射頻卡的信號并由信息處理器針對不同的設定做出相應的處理和控制。

射頻識別技術的最大優(yōu)點是其非接觸性,該特點適于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體;其次，可同時識別多個射頻卡;第三，可以實現(xiàn)高速讀寫。這三個特點決定了射頻識別技術非常適合學生進出校門的識別。因為中小學學生進出校門的特點是上學、放學時間有大量學生集中通過校門，每個人主動去刷卡是不可行的。

3  進出校門識別

3.1  識別原理

對學生進出校門的識別主要利用校門通道的概念。校門內外一片學生進出必經的區(qū)域一般是一個矩形，可以將這個矩形區(qū)域稱為校門通道。在校門通道內、外兩側安裝讀卡器/天線B和A,可分別覆蓋校門通道內、外側，但不能產生重疊，圖2所示是學生進出校門的識別原理，這樣，通過檢測射頻卡在校門通道外側和內側出現(xiàn)的時間先后，就可以判斷學生是進入還是離開學校。

判斷學生進出校門的基本規(guī)則如下：

(1)當A接收到有效信號后,B才接收到有效信號，系統(tǒng)判斷為進門；

(2) 當B接收到有效信號后,A才接收到有效信號，則判斷為出門；

(3) A、B在其覆蓋范圍內多次讀到卡號,才認為是有效信號。

這個規(guī)則可解決理想狀況下的進出校門的識別,但還需要對多種異常情況進行處理，具體如下：

(1) 當學生攜卡在A范圍活動，而不進入B范圍時，系統(tǒng)可以不作進出判斷；

(2) 當學生攜卡在A和B之間的混合區(qū)逗留時，不作進出判斷；

(3) 當學生攜卡在A和B之間的混合區(qū)離開,又回到A時，取消進校機制檢測，不作進出判斷；

(4) 學生攜帶卡作進出判斷，當其進入到只有B的檢測范圍時，判斷為學生進校。

3.2  扁平型校門通道的處理

實際上，有的校門通道寬度小而深長(稱為狹長型通道)，有的校門很寬且內外都是開闊區(qū)域(稱為扁平型通道)，有的則介于兩者之間。狹長型通道因通道內外兩側距離遠,可采用2.4GHzRFID單頻點定向天線，通過調整天線功率和接收信號閾值,可以較容易地實現(xiàn)A、B覆蓋范圍不重疊。

但對于扁平型通道，要使A、B天線覆蓋范圍不重疊則困難較多。西安平安校園系統(tǒng)采用雙頻點復合頻率技術，發(fā)射頻率132kHz、接收頻率2400~2500MHz/315MHz,以地埋感應線圈作為發(fā)射天線，可以有效解決這一困難。

雙頻點復合技術的具體實現(xiàn)方法如圖3所示，在學校的校門內側和外側地面20mm下分別埋設一個與讀卡器相連的感應線圈，線圈長度覆蓋校門通道的寬度。工作時，當射頻卡接近線圈時,線圈發(fā)出的低頻信號激活射頻卡，然后射頻卡再發(fā)出超高頻信號被讀卡器的超高頻天線接收。這樣，通過調整地埋線圈的信號強度，就可以實現(xiàn)內外側低頻信號覆蓋范圍的不重疊。

3.3  射頻卡

學生攜帶的是2.4GHz有源主動式射頻卡，可通過卡里面的電池供電，電池的壽命一般是2?3年。有源卡激活后，可以不斷主動向外發(fā)出無線信號（1秒鐘發(fā)送3次，其發(fā)送功率可以根據用戶要求進行調整），并且能夠傳很遠的距離。該無線信號是有編碼的，每個卡有唯一的編碼。

4  系統(tǒng)性能測試

性能測試是對系統(tǒng)是能否達到設計指標的檢驗。平安校園系統(tǒng)的性能測試主要包括對識別準確率、系統(tǒng)容量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等指標的測試，只有這些指標都達到要求，系統(tǒng)才能實際投入使用。

4.1  識別準確率

識別準確率是指系統(tǒng)中的有效射頻卡在一定并發(fā)射頻卡數量和通過速度的前提下，能正確識別出的卡數量占全部通過的卡數量的比率。實際測試中，可采用一張木板上平鋪50張或100張射頻卡，以不同速度多次進出校門，然后在短信發(fā)送接口統(tǒng)計正確識別出的卡數量。

試驗中，射頻卡經過校門的速度模擬了學生各種情況下通過校門的速度,而并發(fā)射頻卡數量則比學生密集進出（列隊）時的數量更多。同樣的試驗進行5次以上取平均數,并對每個學校進行單獨測試。目前,能夠達到的識別準確率如表1所列。事實上，對于單個射頻卡，在可能的通過速度下（快走、慢走和跑步），識別準確率均能達到100%。

4.2  系統(tǒng)容量

系統(tǒng)容量是指在一定通過速度和準確率前提下,系統(tǒng)所能支持的學生數量。相比于識別準確率，系統(tǒng)容量是一個更為綜合的指標，它不僅與傳感系統(tǒng)的響應速度相關，與學生進出學校的并發(fā)和速度特征有關,而且與校級服務器的處理速度及短信存儲轉發(fā)能力有關。由于直接的測試不易實現(xiàn)，因此，該指標的測試只能依靠對服務器系統(tǒng)的壓力測試和對在現(xiàn)有學校實際運行效果進行的評估。

本系統(tǒng)的壓力測試結果是在半小時內（一個正常的上學或放學時間段），校級服務器及短信接口能夠支持超過5000張射頻卡通過校門。而從已實際投入運行的學校來看，學生數量少則近千名，最多有3000多名，識別準確率都能夠達到要求。

4.3  系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定性指整個系統(tǒng)無障礙運行時間所占整個時間的比率，它是一個綜合指標，涉及到系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的可靠性。目前，西安平安校園系統(tǒng)經過初期對天線系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數據庫和業(yè)務系統(tǒng)以及網絡系統(tǒng)的多次優(yōu)化，系統(tǒng)系統(tǒng)性已經可以達到99.8%以上，而且更趨于平穩(wěn)。

5  組網與綜合業(yè)務管理平臺

西安平安校園系統(tǒng)可以覆蓋西安市城區(qū)和所有郊縣，根據對網絡帶寬和安全性需求及對成本的綜合考慮,500多所學校的網絡上聯(lián)采用VPN方式，可在各校原有上網專線上，疊加一個專有IP網段,并采用IPSec加密。短信網關和綜合業(yè)務管理平臺則通過光纖專線方式的專用通道接入網絡。

綜合業(yè)務管理平臺是為西安平安校園系統(tǒng)進行學校和班級管理、學生資料錄入與修改、群發(fā)短信編輯以及網絡系統(tǒng)網管提供支撐的遠程集中管理平臺。平臺采用中間件技術并帶有與短信網關、校級服務器的接口，可為學校老師、業(yè)務受理人員、網絡與系統(tǒng)管理人員提供基于Web的操作界面。

6  結語

西安平安校園系統(tǒng)有兩個突出的特點，一是以一對射頻讀卡器（包括天線）和一個服務器共同組成一個具備學生進出校門識別功能的基本單元，這是一種復雜形態(tài)的射頻識別節(jié)點;二是以各校子系統(tǒng)為單位，通過集中平臺和VPN技術實現(xiàn)系統(tǒng)的大規(guī)模平滑擴展。

隨著網絡和產品的進一步發(fā)展，該系統(tǒng)應存在很大的改進空間，可以以更小、更高效且具備相當數據庫支持能力的嵌入式設備代替目前的校級服務器，以使其通過具有更大帶寬的3G或4G移動技術替代目前的有線方式進行廣域組網，同時也可采用更高準確性、更低功耗的射頻設備等。