RFID原理与应用课程设计基于RFID的儿童安全管理系统.doc

RFID原理与应用课程设计题 目：基于RFID技术的幼儿园儿童安全管理系统学 号：20124830248 姓 名： 班 级： 12计科A2 指导老师： 专 业：计算机科学与技术 目录摘要1第一章 绪论21.1 研究背景21.2开发目的和意义21.3 RFID技术在国内外的应用现状分析3第二章 RFID技术概述42.1 RFID基本概念52.1.1 基本概念52.1.2 RFID基本组成部分52.1.3 RFID自动识别的优势及特点52.2 RFID系统的工作原理62.3 RFID的基本功能与发展趋势7第三章 需求和可行性分析73. 可行性分析7第四章 需求和可行性分析104.1 系统目标104.2 系统的基本任务10第五章 系统结构与功能分析105.1系统组织结构115.2系统功能分析11第六章 课程设计心得13参考文献13摘要随着计算机技术的发展，RFID（Radio Frequency Identification)作为物联网的关键技术之一，势必在人们生活的各个方面发挥重大的作用，工业生产、智能控制、自动识别、物流管理等诸多方面都在应用RFID技术。本文以教育方面幼儿园儿童安全管理为出发点，切身考虑儿童在校生活的不安全因素，设计了一套基于RFID技术的儿童安全管理系统。此系统通过给儿童、家长及老师佩带RFID标签，在幼儿园某些关键地方设置RFID读写器，从而使儿童在校园的生活能够被实时准确的监测到并及时传送到计算机系统应用软件中，在发生意外是，管理人员接到信息后及时对儿童采取安全措施，保证儿童的安全。上学放学过程中通过儿童配发的RFID卡保证孩子不走失等情况。关键词：RFID，电子标签，儿童安全，读写器第一章 绪论1.1 研究背景RFID技术是基于雷达技术的发展而发展起来的，最早可追溯到第二次世界大战期间。当时，雷达技术在军事上已被各国应用于预警正在接近的飞行目标。但雷达技术的致命弱点就在于敌我不分，这就催生了主动式和被动式的RFID系统的诞生。德国人发现当他们返回基地时拉起飞机，就可以改变雷达反射回的信号，从而和敌军的飞机进行区别，这种简单的方式可以说是最早的被动式RFID系统。同时，其他国家在应用雷达技术的同时，也在深入研究敌我识别系统。英国人研究成功了能识别敌我飞机的识别器，当接收到雷达信号后，识别器会主动发出信号返回给雷达以区分敌我飞机。这种方法被认为是最早形式的RFID系统。但是，最初的RFID技术发展成本高，主要应用于军事上。随着计算机技术的发展，RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域。大大改进了人们的生产方式，提高了生产效率。1.2开发目的和意义幼儿园属于学前教育阶段，幼儿年龄段的孩子自我安全意识非常薄弱，自我保护能力非常低, 自我控制力非常差。而幼儿段的孩子又活泼好动，对外界充满了好奇。在我国，由于国情的特点，很多孩子是独生子女，因此幼儿园孩子的安全直接关系到家庭幸福和社会和谐。近年来，各种恶性的幼儿园安全事故，给家庭和社会带来了巨大的影响。如曾经出现过的家长与老师交接幼儿有误导致孩子丢失、伤亡事件，孩子在放学后被人贩子拐骗走，学校疏忽导致孩子在幼儿园危险地方伤亡、遗忘在校车导致死亡等。尤其是2011年11月16日，甘肃省正宁县榆林子镇小博士民办幼儿园校车交通事故，死亡累计人数达到21人，这次安全事故引起全国震惊。针对于幼儿园儿童各种安全问题。本文设计研究一套完整的的RFID儿童安全管理系统，以增强幼儿园安全的措施，更好地提高幼儿园安全管理的效率，构建安全的幼儿园环境。1.3 RFID技术在国内外的应用现状分析目前，RFID在中国的很多领域都得到实际应用，包括物流 、烟草、医药、身份证、奥运门票、宠物管理等等。尽管RFID正快速在各个领域得到实际应用，但相对于我们国家的经济规模，其应用范围还远未达到广泛的程度，即便在RFID应用比较多的交通物流产业，也还处于点分布的状态，而没能达到面的状态。往往是产业中的领导企业为保持其竞争地位而率先尝试采用这种新技术，而更多的企业还抱着观望和犹豫的态度。还是以物流产业为例，应用RFID技术可以大幅提高物流运作效率，如加快货物出入库时间，减少现场操作人员，实现快速而精确的库存盘点，实现货物准确定位跟踪等，但时至今日，在中国真正实施RFID技术的物流企业还屈指可数。对于这一现象，我认为有以下几点原因：首先，我国企业总体信息化水平不够，阻碍了RFID充分发挥其作用。RFID的实施，往往需要企业信息化达到一定水平，使RFID系统与企业既有的ERP、CRM等信息集成在一起，才能充分发挥其作用。其次，RFID实施成本还比较高，使很多企业望而却步。不仅仅对中国企业，即便对西方企业，RFID的高成本也是一个巨大障碍。最后，我国产业供应链发展还处于初级阶段，也阻碍了RFID的实际应用。与西方企业相比，由于技术和管理处于劣势地位，我国大多行业都存在过度竞争，价格成为市场竞争的主要手段，这就使得很多制造企业利润率维持在相当低的水平，产业供应链的上下游企业之间往往博弈大于合作。而RFID技术只有在整个供应链上协同实施，实现供应链信息透明和分享，才能最大程度发挥出RFID的作用，这在目前情况下还很难做到。另外，实施RFID的一个主要益处是节省人工成本，沃尔玛称RFID每年为其节省数十亿美元的人力成本开支，而中国较低的工资水平也使得很多企业没有积极性去实施RFID技术.RFID技术在国外发展较早也较快，尤其是在发达国家(如美国、英国、德国、日本)具有较为先进而且成熟的RFID系统。从全球的范围来看，美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。美国在产业方面，TI、Intel等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol等已经研发出同时可以阅读条形码和RFID的扫描器。IBM、Microsoft和HP等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID的应用。目前美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐步应用RFID技术。在物流方面，美国已有10多家企业承诺支持RFID应用，这其中包括：零售商沃尔玛；制造商吉列、强生、宝洁；物流行业的联合包裹服务公司以及政府方面国防部的物流应用。欧洲在产业方面，欧洲的Philips，ST Microelectronics在积极开发廉价RFID芯片；Checkpoint在开发支持多系统的RFID识别系统；诺基亚在开发并推广其能够基于RFID的移动电话购物系统；SAP则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本处在同一阶段。日前，欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用实验。日本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步较早，政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。邮政与电信通讯部(MPHPT)在2004年3月发布了针对RFID的“关于在传感网络时代运用先进的RFID技术的最终研究草案报告”，报告称MPHPT将继续支持测试在UHF频段的被动及主动的电子标签技术，并在此基础上进一步讨论管制的问题。从近来日本RFID领域的动态来看，与行业应用相结合的基于RFID技术的产品和解决方案开始集中出现。第二章 RFID技术概述2.1 RFID基本概念2.1.1 基本概念RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。2.1.2 RFID基本组成部分最基本的RFID系统由三部分组成： 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。2.1.3 RFID自动识别的优势及特点快读扫描：RFID读写器可同时辨别读取数个RFID标签。体积小型化、形状多样化：RFID在读取上不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可向小型化与多样化形态发展，以应用于不同产品。抗污染能力与耐久性：RFID对水、油和化学药品等物质有很强的抵抗性。RFID标签是将数据存在芯片中，因此可以免受污染。可重复使用：RFID标签可重复的新增、修改和删除RFID标签内储存的数据，方便信息的更新。穿透性和无屏障阅读：在被覆盖的情况下，RFID能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。数据记忆容量大：RFID最大的容量有数兆字节。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。2.2 RFID系统的工作原理基本的RFID系统由三部分组成：标签(即射频卡)，读写器(也称阅读器)，天线。其工作原理是：阅读器通过发射天线发射一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时；产生感应电流，标签获得能量后被激活，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端接有个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另个电容内储存。当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去或接取读写器的数据：系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送至计算机网络。2.3 RFID的基本功能与发展趋势RFID除了基本的辨识功能之外，还有六项功能，分别是：分级、分群、分类；统计、分析、决策支持；追踪、追溯、危险控制；防伪、防盗；进出管制、自动控制；联合票证、储值付款等。电子标签在未来的发展中，将沿着大容量、高速度、更小的体积、更低的价格、更具保密性及能够适用于各种应用场合的方向不断完善。电子标签(RFID)、电子产品编码(EPC)、互联网(INTERNET)三个元素的有效组合，构成“物联网"。RFID的应用将构建这样一个庞大的“物联网"。RFID是一项综合无线电技术、雷达技术、数字通信技术的高新技术，具有广泛的应用前景。它解决了传统的单一识别、识别速度慢、抗干扰性弱、安全性低等难题，结合现代通信技术和计算机技术，为提高工业和零售、物流等行业生产力起到不可或缺作用。不久将来，RFID技术一定会像其它技术一样释放出其全部潜力，引领一场新的经济、产业和消费革命，将给未来世界经济和贸易带来巨大的影响。第三章 需求和可行性分析3. 可行性分析幼儿园教育指导纲要（试行）指出“幼儿园必须把保护幼儿的生命安全和促进幼儿的健康放在工作的首位。”这就指明了幼儿园安全工作的重要性。但是近年来，幼儿园事故频频发生，意外伤害己成为影响幼儿健康成长的第一杀手，这不能不引起社会和广大幼教工作者的焦虑和关注。如何提高关注儿童安全，防止儿童走失拐卖事件至关重要。本系统采用RFID技术，能较大地提高管理效率，较好地解决孩子多、幼儿好动、老师不容易面面俱到的难题，减轻幼儿园老师的管理强度。RFID技术加上行之有效的安全管理制度，能更好地消除幼儿园的安全隐患，做到及早发现、尽早预警，防患未然，最大可能地降低事故带来的危害。充分发挥RIFD技术感知无处不在的特点，能弥补传统的校园视频监控系统的缺陷，为幼儿园安全提供一种更有力的防护手段，使孩子在幼儿园里快乐、安全地成长。系统组成部分，主要由RFID电子标签，固定式读写器，天线组成。RFID标签分为有源和无源两种。有源RFID标签自身带有电池供电。读写距离远、体积大、价格高；无源RFID标签本身不带电池，其能量从读卡器发射的电磁波中获得，特点是体积小、价格低、寿命长，读写范围是10毫米至5米的距离。无源RFID系统的基本工作原理是当电子标签进入读卡器发射电磁波，使标签天线产生的感应电压达到规定值时，电子标签被激活，并通过内置耦合线圈发送信息；系统接收从电子标签发送来的调制信号。经读卡器对接收的信号进行调制和解码后送到后台主系统进行相关处理。本系统采用无源电子标签，每个电子标签具有唯一的电子编码，含芯片存储功能，可写入儿童基本信息，家庭住址、出生年月等。在逻辑上来说，一个电子标签分为四个存贮体，每个存储体可以由一个或一个以上的存储器字组成。其存贮逻辑图为：电子标签存贮器结构图读写器分为手持式和固定式。根据本系统的实际情况和应用需求，选用了固定式的RFID读写器。当身上带有电子标签的孩子通过其读出范围内时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动定位的功能。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。RFID标签与读写器之间的耦合通过天线完成，天线通常可以理解为电波传播的天线，也指电感耦合的天线。数据在读写器和标签之间用无线方式传递，噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。与其他通信系统相似，技术上必须保证数据被正确传递和恢复。数据传递有同步和异步之分，在RFID系统中，码流结构也要适应信道特性的要求，码流结构化过程称为信道编码。对于RFID系统，信道编码必须对用户透明，现在有各种不同的信道编码方法，其特点也不尽相同。为了通过空间有效传递数据，要求将数据调制在载波上，这一过程称为调制。常用的调制方法有ASK、FSK和PSK。第四章 需求和可行性分析4.1 系统目标本系统主要通过在儿童身上防止RFID电子标签，能够实时准确的掌握孩子的位置信息，在幼儿园内某些方面对孩子设置一定的权限，以及对家长配发与孩子标签配对的电子标签以方便安全接送孩子。提高儿童在幼儿园安全系数，保障孩子切身安全。4.2 系统的基本任务本系统共分为五个功能模块，身份识别模块、门禁模块、家长接送探访模块、危险区预警模块、校车安全监控模块。如下图所示：第五章 系统结构与功能分析5.1系统组织结构系统组织结构框图如下：5.2系统功能分析1）身份识别系统：这是幼儿园安全管理中最基础的子系统。通过RFID读取器感应不同的RFID卡，对持卡者进行身份识别。通过应用软件，对不同的持卡人进行权限设置。尤其是对幼儿进行严格的、详细的身份管理，以达到允许或禁止的功能，通过授权详细的RFID卡、科学布置的RFID读取点，做到“何时何地何人”都能灵敏感应。通过在校门口设置RFID 读写器，自动记录学生入园和接送的详细状况，方便幼儿园老师掌握班级孩子情况。还可以把数据同步到幼儿园网站，方便家长查询。同时，校门口的RFID还可以实现对教职工的考勤功能，准确记录教职工上下班时间。2）门禁系统：在幼儿园教室、食堂、寝室等安全关键场所设置门禁，只有教职工和本园幼儿的RFID卡才有权限打开门。如有不法分子闯入幼儿园，由于不能打开门禁，将极大地增加老师和孩子的安全系数。另外，在孩子中午、晚上休息就寝时间段，可以通过对RFID卡权限的设置，不允许幼儿卡打开门禁，以防止孩子走出寝室，造成安全事故。3）校车安全监控系统：车载RFID读取器通过学生佩戴的电子腕带自动获得准确的上下车学生数。校车实际载人数可以用醒目的方式显示在车内适当位置，提醒驾驶员。避免出现校车停驶关闭车门时，还遗留孩子在车上的情况发生。利用无线网络将实际车载人数发送到安全监控中心，杜绝校车超载。家长在站点接送孩子时，持家长RFID卡在车门处RFID读取器进行身份验证，系统使用语音或屏显方式让驾驶员、跟车老师获取家长信息，并与孩子RFID卡进行比对，避免假冒、错接幼儿。4）危险区域预警系统：在幼儿园校园危险区域、建筑物(如深水池、变压器、楼顶、煤气管道、走道尽头等)设置感应点(即远程高灵敏RFID读取器)，通过计算机网络(高速以太网或者无线网)与安全管理监控中心连接。一旦有幼儿接近时，感应点立刻发出声音、光线等警示，并同时自动将读取的幼儿RFID信息传送给监控中心。在安全管理监控中心，计算机系统应用软件得到信息后，也同时从计算机发出声音、动画等报警信号，并准确给出RFID感应点所在的具体位置，提醒管理员立刻采取安全措施。在非放学时间段，孩子临近校门时，校门口的RFID读取器也能立刻感应，系统也将发出警示给监控中心、门卫值班人员，免于幼儿走失或被坏人带走。5）家长接送探访系统：为提高安全性，在放学时间或临时探视，家长必须通过校门口设置的RFID读取器验证后才能接孩子。并且只有家长卡中读取出来的幼儿卡号与孩子身上佩带的幼儿卡卡号相一致时，门卫或保安才允许家属接走孩子为方便看清信息、进行比对，可在门卫室口放置大尺寸显示器，同步显示RFID 卡的卡号和家长、孩子的照片等关键信息，后台应用软件自动进行卡号比对，给出语音、动画提示。如果有临时访客需要进入幼儿园，可在门卫处登记得到确认后，领取临时RFID卡，并通过系统应用软件设定该访客进入的区域(如办公楼、教师宿舍等)和停留时间。当访客进入非访问区域，尤其是幼儿学习、活动区域时，系统自动向监控中心、门卫(保安)发送提醒信息。当访客结束访问时，访客在门卫处归还RFID卡，系统解除访问权限。第六章 课程设计心得本文结合RFID技术设计提出了了一套幼儿园儿童安全管理系统设计方案。项目完成后，可大大提高幼儿园儿童在校安全系数，给幼儿园老师及其他工作人员带来极大的方便，是幼儿园的管理更加的智能化，方便化，促进幼儿园建设良好和谐健康的环境氛围和儿童的健康快乐成长，应用前景良好。当然，诸如电子标签的成本问题、电子标签与物联网应用相关标准和规范的制定、物联网的信息安全等都是影响该系统应用普及的关键因素，因此，有必要对这些基础性问题作进一步深入的研究。通过本次设计过程，是我更加巩固了所学RFID方面的知识，更加清楚的了解到RFID系统工作的原理和流程等。同时，我也看到了RFID技术的强大和未来无穷的潜力，在物联网时代，RFID作为一项关键技术一定会在智能控制，日常生活，工业生产等各个方面发挥至关重要的作用。参考文献【1】游战清、李书剑.无线射频识别技术（RFID）理论与运用（第三版）M. 北京：电子工业出版社，2004【2】陈大才. 射频识别(RFID)技术M. 北京:电子工业出版社,2001.【3】陈新河无线射频识别(RFID)技术发展综述信息技术化与标准化，2005,7.【4】蒋立新,康继纲.电子标签的应用与发展J.国防技术基础,2004(3):35-37.【5】许毅 陈建军 RFID原理与应用 清华大学出版社，2013.1【6】RFID世界网: