基于无线射频识别技术的智慧校园一卡通系统的研究与设计

　　摘 要：无线射频识别技术（RFID）在国内发展日趋成熟，高校基础建设不断完善，文中结合大学校园的管理模式与运行特点，综合物联网技术的优势，研究并设计了一种基于无线射频识别技术的校园一卡通系统架构和方案，该方案具体包括数据处理中心、园区安全子系统、教学区子系统、图书馆子系统、充值消费子系统、生活区子系统和校舍子系统。该系统可记录学生的生活路线与学习过程，获取学生的各项数据，为建立智慧校园提供有效的解决方案。同时可解决园区管理难、效率低与安全性低等问题。
　　关键词：无线射频识别；物联网；一卡通；智慧校园
　　中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-00-03
　　0 引 言
　　随着各高校信息化建设的加速和升级，以及信息技术的发展与更新，学生和教师对无线网络通信、信息快速响应和智能管理的需求越来越大，为满足大学校园日益增长的生活和管理需求，可采用无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）的校园一卡通系统来实现。目前很多高校使用普通磁卡作为学生生活的工具，在使用过程中经常会出现错误读卡、无法读卡、数据丢失等诸多安全问题，同时多个系统使用多种磁卡，导致运维成本增加，管理困难，这种技术和方式已无法满足现代生活和管理的需要。而在日益成熟的物联网技术下，无线射频识别的一卡通有着快速、安全和容量大的特点，不仅适合大型群体的集中消费、考勤和身份认证，还可方便校园管理和减少技术维护，是智慧校园建设方案的不二之选。
　　1 无线射频识别技术的使用现状
　　一卡通系统选用国内外技术成熟的无线射频识别系统作为底层信息传输载体，采用非接触自动识别通信技术，其原理是基于变压器耦合模型，实现能量与信号传递。高频段的RFID是基于雷达探测目标的空间耦合模型，即雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机，本系统以高频段工作的RFID系统为例进行深入研究，而信息采集终端以非接触、高可靠、稳定传输的电子标签为主，对于可读范围内的电子标签，可在100 ms内完成信号发送、时钟传递、数据发送和接收，以及安全加密、防碰撞检测等一系列高速处理过程。鉴于此类特性，RFID射频识别广泛应用于人员密集的消费场所、大型仓储物流管理、高速公路不停车收费、文档图书管理、特种装备制造等领域。实现了物品或人员的自动编号、跟踪、识别、信息交互，从而组成了一个物与物、人与物链接的网络，即当下主流的物联网。国际权威机构认为，RFID是继无线通信之后的又一次信息技术革命，由此产生的科学意义和应用价值将是巨大的。
　　无线射频识别技术目前已经得到比较广泛的应用，但在新技术不断成熟的背景下，RFID系统的应用范围仅用于单一系统，如学校食堂消费、公交刷卡，或出入大门，每个系统都有各自的电子读卡器，即使有互联互通，也是少数。不仅如此，在管理自己的业务时，只对数据进行了最初级的使用，由此产生的社会价值极其有限。这些问题极大地制约着RFID技术的发展和价值。而对于分布广泛的RFID数据节点，其产生的数据是海量的。RFID的技术原理图如图1所示，RFID的工作原理图如图2所示。
　　2 校园一卡通系统组成与功能分析
　　2.1 系统组成
　　校园一卡通系统的总体方案设计如图3所示。该方案利用＂云服务＂和＂云计算＂支持 ＂教育云平台＂，构建开放式教学平台，支持教师的在线/离线式教学和学生的自主学习，促进学生发散思维能力的培养和智慧校园的发展，充分利用云计算带来的服务为教学提供共享资源，提高教育质量。
　　以数据驱动的业务支撑服务，辅以校园人工管理，推进宿舍公寓、生活服务、充值消费、图书借阅、教学与课堂、系统公共安全管理等领域的业务协同系统建设，推动高效、客观、精简、公开的教育运作模式，向校园提供全方位、高质量的管理服务。
　　2.2 各区功能分析
　　2.2.1 数据处理中心
　　数据处理中心是园区核心计算和业务运营的支撑，负责收集、处理和分析各个子系统传送过来的数据，主要功能包括存储、计算、分析和响应（二级响应）四个部分，可实现数据的集中管理与运营，提供持续可靠的服务。
　　2.2.2 充值消费子系统
　　通过学校后勤处设立的一卡通管理中心，实现学生的一卡通充值、消费和维护，管理学生、食堂商家、购物中心、零售店与一卡通管理中心消费结算和财务数据处理，实现消费者、商户与管理者的有机、良性结合。
　　学生只需持一张经过授权的电子白卡，即可完成充值和消费，而系统在后台强大的软件环境和完善的硬件基础上完成信息的加工处理。后台数据库统一进行RFID卡的发行、授权、取消、挂失、充值等工作，并可查询、统计、清算、打印消费相关信息。
　　2.2.3 生活区子系统
　　生活区包括食堂、超市、服务区和运动场所，其特点是人流量大，交易量大，重点在消费和支付方面，所产生的数据是巨大的，同时也存在诸多安全隐患，加密的RFID卡可绑定个人信息和消费数据，增强安全审查，避免盗刷，确保资金安全。
　　2.2.4 校舍区子系统
　　校舍安全一直是长期困扰管理者的症结，每学期都可能会发生多起偷盗、欺诈、非法闯入等恶性事件。配备了无线射频识别技术的电子系统，可对每个出入的行人做身份检测，若无卡则无法进入。对于校园公共场所，如教室、阅览室，亦可实行同样的技术管理作用，对出入身份认证加强了管理。
　　2.2.5 教学区子系统
　　对于涉及校园与班级的活动，如上下课点名、签到、机考认证、比赛过程记录等，不仅要求必要的身份认证，还可实现活动记录、上课监测、报警管理以及安全越界等行为检测，把教和学的过程数字化，活动网络化，以实现数字校园、数字班级、数字管理的目标。   2.2.6 图书馆子系统
　　大学图书馆是一个专门用于收集、整理、保存、传播文献并提供科学、文化、教育和科研的庞大机构。文献是图书馆开展一切学习和科研工作的物质基础，而图书馆子系统是由信息源、信息管理者、信息用户、信息处理器组成的综合系统，是一个能进行信息收集、加工、保存、传递、使用和维护的系统。利用信息监测手段，实现学生借阅管理，帮助学校图书馆实现文献信息化管理。
　　2.2.7 园区安全子系统
　　园区安全子系统以维护校园公共安全为目的，运用安全设备构成出入口检测系统、消防安全检测系统、紧急安全响应系统、图像监控系统；由这些子系统组合成完备的电子安全系统，集中分析和处理各种敏感数据、信息，为园区安全提供有力保障。
　　2.3 节点功能分析
　　2.3.1 数据采集节点
　　在每个节点安装RFID接收器，主要包括各个生活和学习场所、食堂、超市、寝室、教室和机房等，这些节点分布都是学生必经的路径点，在这些地方设立卡点，采集到个人行为在某时刻的数据，获取到关键链路的第一手数据。
　　2.3.2 数据处理节点
　　数据处理节点主要包括一卡通管理中心、图书阅览管理中心等，这些均由RFID读写器组成，负责对RFID获取到的数据进行读、写操作等数据交换工作，对频繁涉及到的场所设置自动响应装置。
　　2.3.3 校园云平台
　　负责所有的云计算、数据处理和功能实现，主要由数据服务器、应用服务器和Web服务器组成，数据服务器负责处理RFID的交换信息，应用服务器处理响应事件，Web服务器负责给对象反馈处理结果，形成三位一体的系统。
　　3 一卡通关键技术及数据处理流程
　　校园一卡通系统关键技术包括校园一卡通RFID的选型与规范、RFID数据加解密与安全传输、数据处理流程。
　　3.1 校园一卡通RFID的选型与规范
　　从技术成熟度与读写器成本来看，把高频段的13.56 MHz读写系统作为本系统首选，进而对电子标签的数据进行规范要求，对信息长度进行统一，避免冗余和出错，规范过滤和处理过程，RFID数据的读写过程如图4所示。
　　3.2 RFID数据的加解密与安全传输
　　数据加密和解密伴随着数据的全部传输过程，其常用的TEA算法（Tiny Encryption Algorithm，一种小型的对称加密解密算法）每次可操作64位数据，采用128位密钥，经过64次迭代的形式进行，图5所示为TEA算法的循环过程，其中＂+＂表示求和，＂＂表示异或，＂y＂表示右移y位。
　　首先采用半导体电子白卡读取控制密码的加密信息，对存入卡中的数据进行加密，其结果用Data_New表示为：
　　Data_New=BATEA（Key，n，Data）
　　式中，Key为密钥，n为数组元素的个数，Data是某个扇区的数据，而Key可动态的进行变化，BATEA为改进的TEA算法，整个传入路径如图6所示。
　　3.3 数据处理流程
　　RFID数据流与处理方式如图7所示。
　　4 结 语
　　系统从无线射频识别的技术原理和特点入手，结合大学校园综合分布的特点和人员流动性质，对RFID进行了选型和技术分析，选择符合系统的设备型号，并从智慧校园建设方向进行了研究和剖析，得出了一种基于RFID技术的设计方案，把学生的消费数据、生活数据和学习数据条理化、规范化、数字化，大大提高了数字化管理的效率，促进了正常的生活、教学和研究，同时也加强了校园安全建设。此举为建设智慧校园打下了坚实的基础，真正做到了网络校园、数字校园、平安校园和智慧校园。
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