基于RFID的校園自行車管理系統

李新煜，曾春暉，蒲力萌

( 電子科技大學 通信與信息工程學院，四川 成都 611731)

0 引言

高校校園中自行車被盜事件時常發生，這些事件并沒有得到有效的解決。究其主要原因是校園中各類自行車數量多，難以辨認，難以定位，即使被盜也難以認定車輛歸屬[1]。

本系統使每一輛自行車都具備一個獨一無二的身份即射頻識別（RFID，Radio Frequency IDentification）標簽，同時車主也有一張與之匹配的校園IC卡。車主在存取車時必須刷卡，通過對車輛和IC卡（飯卡）信息的讀取、對比，系統便會判定此次存取操作的合法性，再根據結果的不同做出相應的反應。若有非法的取車操作，系統會通過現場的報警裝置和接收設備，通知保衛處和門衛，有助于嫌疑人的抓獲，避免了車輛的丟失。

1 系統結構

1.1 系統總體網絡結構

如圖1所示，整套系統分為若干個節點和一個中央服務器，每個節點在實際環境中代表一個停車場。各節點通過RFID射頻設備收集自行車的信息并通過接觸式天線讀取用戶IC卡數據；最后通過以太網傳遞給服務器。服務器匯總各個自行車停放的數據，進行數據的存儲和比對，將反饋信息通過校園網絡傳送到各個監測終端，通過一系列指令控制各節點執行相應的操作。

圖1 系統總體網絡結構

1.2 節點實現結構圖

一個節點的結構如圖 2所示。各個節點通過RFID射頻讀卡器檢測自行車內的智能芯片，并存儲相關數據；同時 IC卡讀卡器通過天線讀取學生的IC卡（飯卡）信息。節點通過控 制的 ARM用以太網將信息發送至服務器并接受反饋數據，執行相關的提示或報警操作。

圖2 端系統實現結構

1.3 服務器框架結構

服務器接收各節點數據并將數據與數據庫中記錄進行比對，反饋一系列操作指令給各節點。具體服務器處理信息流程圖如圖3所示。

圖3 服務器處理信息流程

2 開發平臺簡述

2.1 硬件平臺

2.1.1 RFID模塊

RFID技術的基本工作原理是標簽進入磁場后，接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag）；或者由標簽主動發送某一頻率的信號（Active Tag），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理[2]。由于RFID射頻天線和標簽分為多種標準，本套系統的RFID模塊采用了遠望谷公司的XCRF-502C 固定式射頻讀寫器，此讀寫器工作在 902-928Mhz頻段，有效檢測范圍為 10米。

2.1.2 嵌入式模塊

由于在本系統中嵌入式模塊主要擔負信息傳輸和控制的功能，并不需求高速運算和大量數據緩存，因此采用了以ARM2440 為核心的開發方案。

嵌入式模塊在ARM2440核心的外圍添加了以太網口用于與服務器進行通信；LCD顯示屏用于實時顯示提示信息；蜂鳴器用于應急報警；I2C總線接口用于與IC讀卡模塊進行通信，串口用于與 RFID射頻模塊通信。

2.1.3 IC讀卡器模塊

IC讀卡器天線采用Philips MFRC522 原裝芯片設計讀卡電路，該模塊使用51單片機驅動讀卡器檢測IC卡信息并使用I2C總線將數據會傳到ARM主控芯片上。

2.2 軟件平臺

2.2.1 服務器開發

因為本系統中的服務器不光要擔負起與硬件通信的功能還要有一套完善的圖形界面，因此本系統采用Visual Basic 2010作為服務器的開發平臺。

Basic是一種簡單且易于編寫和維護的語言，而 VB提供了一系列空間和皮膚插件可以方便的開發出一套人性化的UI界面。在與硬件連接方面。VB提供了網口控件winsock[3]控件可以方便的與ARM連接通信；同時VB提供了豐富的API接口與數據庫進行數據通信。

2.2.2 數據庫開發

考慮到開發的復雜程度，本系統采用了入門級的數據庫Access數據庫。Access[4]是微軟公司推出的基于 Windows的桌面關系數據庫管理系統（RDBMS，Relational Database Management System），是 Office系列應用軟件之一。Access能夠存取 Access/Jet、Microsoft SQL Server、甲骨文軟件公司(Oracle)，或者任何 ODBC 兼容數據庫內的資料,具有良好的兼容性。

3 關鍵技術應用

3.1 RFID的設計和實現

3.1.1 RFID的設計

固定式RFID終端的工作原理如圖4所示[5]，終端發射高頻電磁波激勵射頻標簽，產生回饋數據。RFID在本系統中主要用于識別自行車車輛信息，每輛自行策劃都會有一塊很小的射頻標簽置于車座下方，射頻終端周期性的掃描周圍的標簽信息并刷新緩存區數據。RFID終端掃描邏輯流程如圖4所示。

圖4 RFID終端掃描邏輯流程

3.1.2 RFID的實現[6]

本系統采用由遠望谷公司出產的 XCRF系列讀寫器，利用讀寫器附帶的讀寫軟件，對RFID卡的信息進行讀取和寫入操作。讀寫器通過串口與ARM核心板相連接。當射頻終端檢測到射頻數據后會將數據自動緩存，并通過串口以自定義的幀格式發送給ARM。一幀數據的結構如圖5所示。

圖5 RFID讀卡設備幀數據結構

3.2 數據庫的設計

數據庫在本系統的主要任務是記錄用戶存取自行車時RFID所讀取到的信息，以便日后查詢。需要記錄的有時間、停車地點、存∕取、自行車號、車主姓名、學號等。由于自行車號與車主姓名、車主姓名與學號都是唯一對應的關系，而且在一定的時間內是相對固定不變的，不需要每次都重復記錄，但為了管理方便，這些信息能在系統界面上顯示出來是很有必要的，因此本系統用關系型數據庫的設計，通過將幾張小表組合成大表的方式來減少需要記錄的數據。

關系數據庫（Relational Database）是一個被組織成一組正式描述的表格的數據項的收集，這些表格中的數據能以許多不同的方式被存取或重新召集而不需要重新組織數據庫表格。本系統中數據庫如圖6所示。

圖6 關系數據庫

采用關系型數據庫的設計可以很好的簡化存取自行車時所要記錄的數據，避免了數據庫的冗余，也提高了數據庫的靈活性和擴展性。如果以后需要增加顯示的信息，只需要繼續添加小表，再把他設計進行組合，而不需要重新設計數據庫。

3.3 通信設計

為了使軟件具有真正的使用價值，除了要保證軟件的網絡通信可以準確快捷的收發信息，還要保證在多用戶同時使用網絡資源時服務器不會因為協議設計的不當或者邏輯錯誤出現假死的情況；同時當單個用戶數據量較大時要保證用戶數據不會在傳輸過程中丟失或錯位。

3.3.1 套接字通信[7]

本信息管理系統會涉及到傳輸大量數據信息,為了盡量避免錯誤，采用穩定性較高的流套接字形式作為網絡通信的基礎。所有發送的信息將被編碼并以信息流的形式上傳到網絡。區分不同應用程序進程間的網絡通信和連接，主要依靠3個參數：通信的目的IP地址、使用的傳輸層協議（TCP或UDP）和使用的端口號。為保證通信的穩定，信息管理系統采用TCP 協議。

3.3.2 多端訪問

為了使軟件具有實用的特性，軟件采用了異步的通信方式。打開服務器的網絡連接以后，服務器處于監聽狀態。當有請求進入時，服務器為這個請求開辟一個獨立的線程，分配獨立的端口進行網絡通信，同時服務器回到監聽狀態處理其他連接請求。客戶端接入服務器以后,開始發送數據，每次數據發送完畢發送信息主動切斷通信，釋放網絡資源，服務器收到信息后斷掉與客戶端的連接。 為保證多端通信不會給服務器造成太大的壓力，設定服務器允許同時連接數上限為100個。線程分配流程如圖7所示。

圖7 線程分配流程

3.3.3 通信協議

通信協議（Communications Protocol）是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。協議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義，連接方式，信息發送和接收的時序，從而確保網絡中數據順利地傳送到確定的地方。

為了保證信息管理系統中各項指令和數據都可以準確無誤的傳達，系統使用了一系列自定義的幀格式；具體幾類常用幀如圖8、圖9所示。

圖8 數據幀（節點發往服務器）結構

圖9 控制幀（服務器發往節點）結構

接收端以字符的形式收到一幀字段，利用文本處理函數檢查是否包含標識符，如果包含某個標識符，就可確定這短信息是命令還是數據；之后利用文字處理函數以＆為界限分段提取相應數據和命令。最后服務器根據預先設定的邏輯利用數據和命令進行相關操作。

3.3.4 委托技術[8]

委托是可用于調用其他對象方法的對象。它們有時被稱為類型安全函數指針，因為它們與其他編程語言中所使用的函數指針相似，但不同于函數指針。Visual Basic .NET 跨線程操作有兩種方式，委托和設置線程為cross型。相比之下委托技術更加可靠和穩定因此本系統采用委托技術進行跨線程的操作。

VB.NET委托函數的使用分為幾個部分：聲明事件、引發事件、編寫事件處理程序，從而把時間處理程序和事件聯系起來。當一個線程收到一條來自客戶端的信息時，通過委托函數，這條信息的內容便可以顯示在服務器的一個列表中。

4 結語

目前RFID的技術已經在許多領域都取得了不小的成功。相信同樣得技術在校園自行車管理領域中也將發揮重要作用，本文簡單介紹了如何通過嵌入式系統將射頻系統和服務器連接構成一套完整的自行車管理系統。由于采用了模塊化設計，同樣的一套系統只要稍加改進就可以在眾多其他領域得到應用。

[1] 羅春彬,彭龑,易彬.RFID技術發展與應用綜述[J].通信技術,2009,40(12):112-114.

[2] 胡建國.智能 RFID標簽芯片理論與實現[D].廣州:中山大學,2010.

[3] 王艷平.Windows 網絡與通信程序設計[M].北京:人民郵電出版社,2009:48-120.

[4] 徐麗萍.RFID系統讀寫器與電子標簽硬件結構分析[J].通信技術,2012,45(08):118-119.

[5] Feddema, Helen.Access 2007 VBA[M].[s.l.]: John Wiley & Sons Inc.,2007:90-143.

[6] 遠望谷公司.遠望谷系列 RFID設備技術手冊[C].深圳:遠望谷公司,2009.

[7] BEHROUZ A. Forouzan TCP/IP Protocol Suite Fourth Edition[M].[s.l.]:Higher Education,2008:432-498.

[8] Fred Barwell, Richard BlairProfessinoal.VB.NET Fifth Edition[M].[s.l.]: Wrox Press, 2011:70-86.

[9] 王珺吉,王新征,汪松,等.基于 RFID的軍事物資管理系統[J].信息安全與通信保密,2011(02):64-66.