浅析RFID在校园一卡通的应用Word下载.docx
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第四章RFID在校园一卡通应用的应用案例16
4.1学校基本情况16
4.2学校需求16
4.3方案简述16
4.4成功经验17
第五章RFID在校园一卡通应用存在的问题及解决措施19
5.1多系统整合问题19
5.2系统和数据库传输数据速度问题19
5.3安全问题20
5.4POS机数据安全问题20
5.5限额消费问题21
5.6系统服务器数据安全问题21
总结22
致谢23
参考文献24
第一章绪论
1.1产业背景
大中专院校是众多学生集中学习和生活的场所，属于典型的“社区”概念。
学生在校期间发生的就餐、购物、洗澡、用水、用电、上机、图书借阅、看病、楼宇出入、报到、离校等活动涉及了付费、身份认证和水电消耗管理等各个方面，使用智能一卡通系统，通过一套系统、每人一张卡即可对上述活动实现统一管理，极大地节约了资源、提高了管理效率、降低了管理费用，同时也为在校师生提供了很大便利。
此外，学校能够较早地接触和认可新的、先进的信息技术并予以应用。
因而，智能一卡通在校园领域应用最早、发展最快，功能也最齐全。
校园一卡通系统是校园信息化建设的核心应用项目之一。
建设校园一卡通系统的目标是实现“一卡在手，走遍校园，一卡通用，一卡多用”。
20世纪90年代中期，随着计算机、网络、信息等技术的发展与应用，国内部分高校的图书馆、医院以及后勤管理等部门，开始运用信息技术等手段提高管理水平和服务质量。
如图书借阅卡、医疗卡、就餐卡等，限于当时技术水平，其多采用光电卡或磁卡，卡片设计简单、信息容量较小且功能单一。
随着信息化技术的发展、校园网基础设施的逐步完善，信息传媒介质也从光电卡、磁卡逐步升级到M1卡、CPU卡和手机卡等，使得校园一卡通的实现成为可能。
同时，随着无线射频技术（RFID）的应用日趋成熟，制作成本的不断降低，也为建设“校园一卡通”提供了强有力的技术保障。
在内外因素的共同推动下，经过数年发展，很多高校已经完成了用校园卡替代原来的各种证卡，功能逐步增强，且在很多领域得到了广泛应用，成为数字化校园的应用前端。
。
1.2目的和意义
将多项管理职能融为一体，在校园中建立校园一卡通系统。
在全校的学生和教职工中全面使用校园卡代替学生证、工作证、结束证、考试证、医疗证、乘车卡、饭卡、银行卡等全部证件、现金、票据，并在其平台基础上与学校其他信息系统相衔接，形成完整的“校园一卡通”和“数字化校园”系统，促使校园信息化管理水平的提高。
1.3RFID在校园一卡通应用的前景
1．手机一卡通推动校园一卡通快速发展
随着近期三大运营商及银联大力推广的手机近场支付（手机一卡通）业务的迅速开展，加载RFID模块的手机已成为校园一卡通系统中可替代卡片的新的信息载体，老师和学生在校内可以实现用手机刷卡消费、门禁考勤等诸多功能。
手机一卡通业务在校园快速崛起的主要原因在于：
第一，校园内高素质群体较为集中，对于新概念的接受力强；
第二，高校学生是移动通讯业务的潜在优质客户，运营商推进该项业务动力大；
第三，校园作为社区型客户的典型代表，对一卡通系统的功能要求更全、技术含量更高，个性化需求也更多，在校园领域推广成功后，可为将来向企事业领域和城市领域快速推广提供有力保障。
手机一卡通业务的兴起推动了校园一卡通的快速发展，把校园一卡通的建设推进到了一个新的高度。
2．中国校园一卡通市场前景广阔
目前我国校园一卡通市场仍以高校市场为主，并正向中职院校、中学快速扩展。
截至2011年4月，我国具有普通高等学历教育招生资格的院校共有2412所（不含军事院校和港澳台高校），其中普通本科院校820所、专科院校（含普通高职院校）1281所、经国家批准设立的独立学院311所，研究生、普通本专科、成人本专科合计在校生28,265,025人。
随着校园信息化建设的深入，以及“数字校园”、“智慧校园”概念的提出，在M1卡正向CPU卡升级、手机一卡通迅速兴起、建设一卡通系统的学校范围越来越广泛、智能一卡通系统所实现的功能越来越多、校园节能减排需求增加等众多有利因素的驱动下，未来校园一卡通市场前景非常广阔。
第二章RFID在校园一卡通应用的现状及其发展趋势
2.1RFID在校园一卡通应用的应用现状
随着一卡通的普及，多数高校也逐步实施校园一卡通系统。
虽然很多高校在一卡通系统的应用过程中取得了一定的进展，但是还有一些问题：
（1）针对一些国家级重点院校，在实施校园一卡通系统过程中，校方需要承担过重的资金问题，于是高校开始依托银行进行建设，通过银行的投资，两者的互赢，最后完成校园内一卡通的普及和推广。
同时，如果该银行管理或技术出现问题，就会影响校园一卡通系统的正常运行，从而不利于系统的推广使用。
（2）为适应一卡通的应用需要，各学校成立了新的部门进行管理，传统的分散管理变得集中化，与原有的管理模式出现运行上的冲突。
如何避免集中管理后的权力最大化及解决各部门之间的冲突，是需要解决的首要问题。
（3）一些高校在实施一卡通系统过程中，并没有真正的实现“一卡在手，走遍校园“，而是消费系统一张卡，水控系统和宿舍的电控等系统分别是一张卡，院校在管理过程中还是会遇到很多问题。
（4）今年手机一卡通的流行，部分高校实施了校园手机一卡通系统，例如，电信手机一卡通系统，略势是电信手机手机联网采用的C网，多数高校的学生的手机联网采用的是G网，需要更换手机，致使手机一卡通在推广过程中遇到一定的阻力。
紧接着，联通和移动也推出校园手机一卡通，开始在校园内推广。
（5）前段时间青果软件的培训，让我们认识到高校数字化校园的重要性，如何同步实现高校校园内的一卡通系统与数字化校园的有效的结合。
校园一卡通从最初的食堂饭票开始逐步发展到今天的手机识别，每一次进步都经历浩浩荡荡的市场洗礼，校园一卡通，是如今校园智能化的必备条件。
2.2RFID在校园一卡通应用的发展趋势
近年来，随着校园信息化建设的进一步加快，校园一卡通系统在国家实施的“校校通”、数字校园、智慧校园等工程建设中起到了关键性的作用，得到了广泛的应用，各种解决方案和系统平台层出不穷。
随着物联网、手机一卡通的兴起，校园一卡通将得到进一步深化和升级，中国校园一卡通市场发展呈现以下趋势：
2.2.1建设范围越来越广、正在向更多学校普及
目前校园一卡通在一类重点大学已经比较普及，而二类、三类本科院校和专科院校正处于建设的高峰期，随着教育信息化进程的加快，中学、中职学校等也逐步开始建设校园一卡通，校园一卡通的建设范围越来越广。
2.2.2应用功能越来越多、建设规模越来越大
随着校园信息化应用层次的不断深入和建设水平的持续提升，其应用功能也逐步丰富和强大。
以新开普的校园一卡通整体解决方案为例，除可实现银校圈存转账、班车收费、机房上机收费、医院收费、考务费用缴纳、多钱包账务处理、购物消费、补助发放及领取、上网费缴纳、自助购水、自助购电、自助复印收费、自助洗衣收费等消费管理功能外，还具有对校园各层级、单位的水电资源进行管理和控制的功能，如：
浴室水控、开水管理、一体化计流量水控、宿舍冷水控制、宿舍热水控制、联网水表控制系统、联网电表控制系统、集中用电控制、能源实时监控等，以及对楼宇门禁、员工考勤、课程考勤、实验室及多媒体设备管理、住宿登记管理、指纹考勤、智能卡门锁、图书借阅、智能卡寄存柜、车辆出入管理、大门人员出入管理、考试监管、注册报到、离校手续、会议签到、无障碍通道、驾培管理、自助查询等各方面进行身份识别和管理的功能。
从应用深度看，校园一卡通系统功能将越来越齐全，建设规模也越来越大。
而原有一卡通系统的国务院、教育部在2010年7月发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中提出要把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，明确加快教育信息化进程，加快教育信息基础设施建设。
要求加快终端设施普及，推进升级改造，也将进一步拓展其市场容量。
2.2.3校园信息化建设的加速助推一卡通行业发展
教育部在2008年教育电子政务建设工作研讨会中，强调应以“数字化校园”建设为目标，在教育信息系统建设与应用、信息化管理体制、信息技术支持与服务方面进行探索和创新，提出了构建“数字化环境、数字化管理、数字化学习、数字化科研和数字化生活”等“五个数字化”的理念；
同时明确通过校园一卡通等系统提升校园管理协调机制。
随着校园信息化进程的加快，“智慧校园”将成为“数字化校园”发展的必然趋势。
而校园一卡通是数字校园的前导性工程，它不仅是校园数字化系统重要的有机组成部分之一，也是“数字化校园”建设的基础工程和切入点。
结合目前校园一卡通建设的深入及数字化校园建设的快速推进，公司同时具备较强的校园一卡通建设经验以及数字化校园整体解决方案的开发能力，因此在未来校园整体信息化升级建设中将具备较强优势。
第三章射频识别技术在校园一卡通系统中的使用
射频识别是一种非接触的自动识别技术，一个射频识别系统至少包括阅读器、天线和电子标签。
校园一卡通就是基于射频识别技术的一种射频识别系统，其主要组成是：
天线，中间件，电子标签，阅读器等。
3.1校园一卡通的基本组成结构
3.1.1天线
无论阅读器还是电子标签的正常工作，都离不开天线或耦合线圈。
对于电子标签和阅读器而言，天线是它们之间的空间接口。
其实，天线是一种能够将电磁波转换成电流信号，也可以将电流信号转换成电磁波的装置。
无线电发射模块发射射频信号，通过电缆输送到天线上面，天线将射频信号以电磁波的形式辐射出去。
电磁波到达接收点后，也是由天线接收下来（但是天线所接收到的只是很小一部分），并通过电缆输送到接收模块。
所以，天线是发射电磁波和接收电磁波的重要无线电设备，可以说没有天线就没有无线电通信。
电感耦合射频识别系统中，阅读器的天线产生电磁波，并向电子标签提供工作能量，同时传递信息。
所以天线的设计和选择要符合一定的条件：
天线线圈的电流达到最大，以便产生最大的磁通量；
要有一定的带宽，保证信号的调制不会互相干扰；
功率匹配，这样能够最大限度利用磁通量。
天线有很多种形式和结构，如平板天线、环形天线、螺旋天线等。
在电感耦合RFID系统中主要使用环形天线。
环形天线主要用于中、低频射频识别系统中，用来实现能量和数据的电磁耦合。
3.1.2阅读器
在无线射频识别系统中，阅读器是主要的组成部分之一。
它在射频识别系统中起到了举足轻重的作用。
在射频识别系统工作过程中，通常由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场。
电子标签通过这一区域时被触发，发送存储在电子标签中的数据，或根据阅读器的指令来改写存储在电子标签中的数据。
总结起来阅读器的功能是：
完成与电子标签之间的通信；
对需要传送的数据进行编码、解码；
对需要传送的数据进行加密和解密；
同时识别多个电子标签，要有防碰撞功能。
阅读器可以作为单独的整体存在，也可以嵌入到其他的应用系统中。
它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可以与其他的系统联合使用来完成对电子标签的操作。
（1）阅读器的组成：
虽然各种射频识别系统在耦合方式、通信方式、数据传输方式以及工作频率的选择上存在着很大的区别，但是，RFID阅读器的组成基本相同。
主要由两大基本模块组成：
信号控制与处理模块和高频接口模块。
此外，阅读器还需要发射电磁能量的天线。
如图2.1所示。
信号控制和处理模块通常采用ASIIC组件和微处理器来实现其功能。
图3.1阅读器结构图
信号控制和处理模块的主要功能：
控制电子标签的通信过程；
对数据进行加密和解密；
信号的编码和解码；
对电子标签身份识别。
高频接口模块主要由发送器和接收器组成。
通常高频接口模块又被称作射频模块，它的主要功能是：
产生一定频率的射频信号，发射射频信号，激活电子标签并为其提供工作电压；
调制发射信号，对电子标签进行写入操作：
解调电子标签的射频信号。
对于电感耦合的RFID体统，因为工作频率较低，所以阅读器的高频接口部分电路比较简单。
通常电感耦合的RFID系统阅读器的高频接口如图2.2。
图3.2电感耦合型RFID系统阅读器的高频接口部分
（2）阅读器的结构形式
根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯，阅读器有不同的结构与外观形式。
根据天线和阅读器模块是否分离，可以分为分离式阅读器和集成式阅读器。
常见的分离式阅读器有固定式阅读器，而典型的集成式阅读器有手持阅读器。
根据阅读器的应用场合，可以分为固定式阅读器、OEM（OriginalEquipmentManufacturer原始设备制造商）模块、工业阅读器、手持阅读器和读卡器。
（3）阅读器的工作原理
阅读器对支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。
阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。
标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。
识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。
阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。
一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。
使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。
阅读器一般分为手持式终端和固定式终端两种，其中包含发送器，接收仪、控制模块和收发器四部分，收发器和计算机或者可编程逻辑控制器（PLC）链接来实现他们之间的沟通功能，因此阅读器也具备天线接收和传输信息的功能。
其中数据传输和系统处理的工作过程是这样的解读器通过接收标签发出无线电波接收电子标签的数据，其中常用的就是被动射频系统，当解读器遇见RFID电子标签的时候，发出电磁波让周围形成了一个小的电磁场，电子标枪就会从这个电磁场中获得能量来激活RFID中的芯片电路，这样内部的芯片就转换成了电磁波发给了解读器，随后解读器把接收到的电磁波转换成相关的信息，并有计算机等处理这些信息进而实现管理控制作用，如果是主动视频系统的话，那么电子标签就会装有电磁，解读器也就在有效范围内接收处理就可以了。
（4）阅读器技术参数
a.工作频率
工作频率是射频识别系统最基本的技术参数之一。
工作频率的选择在很大程度上决定了射频识别系统的应用范围、技术可行性以及系统的成本高低。
从本质上说，射频识别系统是无线电传播系统，必须占据一定的无线通信信道。
在无线通信信道中，射频信号只能以电磁耦合或者电磁波传播的形式表现出来。
因此，射频识别系统的工作性能必然会受到电磁波空间传输特性的影响。
b.数据传输速率
对于大多数数据采集系统来说，速度是非常重要的因素。
由于当今不断缩短产品生产周期，要求读取和更新RFID载体的时间越来越短。
c.RFID系统的连通性
作为自动化系统的发展分支，RFID技术必须能够集成现存的和发展中的自动化技术。
重要的是，RFID系统应该可以直接与个人计算机、可编程逻辑控制器或工业网络接口模块（现场总线）相连，从而降低安装成本。
连通性使RFID技术能够提供灵活的功能，易于集成到广泛的工业应用中去。
3.1.3电子标签
电子标签（又称应答器）作为射频识别系统组成部分，它的作用也是不言而喻的。
电子标签中存储了可用的信息，通过电感耦合可以将此信息传输到信息采集系统中。
电子标签的主要组成部分是耦合天线和标签芯片如图2.3。
耦合线圈的作用就是接收阅读器发射出来的电磁波同时将标签芯片的信号以电磁波的形式发射出去。
标签芯片的作用是，对天线接收的信号进行解调和解码等处理，同时将自身的信息进行编码、调制。
图3.3电子标签的组成
每个电子标签都具有唯一的编码，这些编码被存储到存储模块中。
电子标签附着在物体对象上，就可以对物体进行识别。
电子标签中的内容可以被永久锁定，也可以被修改。
总的来说对电子标签要具有一定的基本要求：
具有一定的存储容量；
一定的工作环境下，标签中的数据可以被读出也可以被写入。
由于各种识别系统的原理和应用领域不同，电子标签的原理、结构和外观也有很大的区别。
根据分类的方式不同，电子标签可以分为不同的类型。
（1）按供电方式
a.有源标签
有源电子标签是指电子标签内部有电池提供标签工作的电压。
这种电子标签的工作距离相对较远，但是使用寿命较短、体积较大、成本较高、需要定期更换电池。
此类标签的工作环境受到很大限制，很多恶劣的环境不适合使用。
b.无源标签
无源电子标签就是指电子标签内部没有电池提供工作电压。
无源电子标签利用线圈耦合电磁波技术从阅读器那得到能量，然后转换成直流电源，为无源电子标签提供工作电压。
无源电子标签的使用寿命较长、识别距离相对有源标签的要近。
但是无源电子标签对工作环境要求很低。
（2）按电子标签的工作频率
a.低频标签
低频标签的工作频率较低，工作频率范围为30KHZ到300KHZ，是型的电感耦合型标签，它的天线一般为线圈型天线。
低频标签一般为无源标签，工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射场中得到。
其实RFID技术首先是在低频得到广泛应用和推广的。
低频电子标签的优势是：
省电、价格低。
缺点是：
存储数量较少、速度慢、识别距离近。
b.高频标签
高频电子标签的工作频率要比低频标签的频率要高，其工作频率一般为3到30MHZ。
但是它的天线发射出的仍然是波长较长的无线电波，工作原理和低频的标签完全相同，所以它同样是电感耦合型的电子标签，它的工作天线同样是线圈型的。
高频标签的优点是：
速度快、识别距离较远。
价格太高。
c.超高频标签
超高频电子标签的工作频率远高于低频和高频标签，工作波长较短，所以超高频电子标签的工作方式多采用电磁反向散射耦合方式。
（3）非接触电子标签与接触式标签的选择
首先对非接触标签与接触式标签进行比较，发现非接触标签相比于接触式标签有如下的优点：
a.性能优越性、操作方便性
非接触射频卡在性能方面较接触射频卡要好多；
操作方便速度最快，能实现自动管理。
通过这套系统，可以实现对人员权限的明确界定，无论是外部人员还是内部人员，都可以通过设置对其权限进行清楚的界定，以方便管理。
b.多用性、抗破坏性、耐用性、防冲突性能好
在特定的范围内可以自由的进出与消费、借阅图书等活动，并对人员的交易等情况进行纪录，以备查询。
这样极大的解决了人员管理的压力，并在提高安全度的情况下达到节约人力的效果。
而考勤、卡证制作、电子巡更、就餐、停车场管理等功能，只需要一张非接触射频卡就能非常方便的解决，因此不会受卡太多的困扰，也不必为接触射频卡极易损伤而困扰。
c.高效性、集成性、智能性、加密性好、读写成本低
高效、集成、智能化是现代企业管理的客观要求，也是现代企业管理的重要内容和发展标志。
它可以提高工作效率，降低运行成本、增长使用寿命、可靠性高、维护工作少。
一卡通系统可以解决现实生活中的许多问题，实现个子系统之间的联系、信息管理和联动控制。
但智能化管理系统在其设计和操作过程中复杂性阻碍了系统集成的进程。
d.网络要求性不高
网络设计要求不高，软件工作量大，系统设计和使用方便。
读写次数可高达10万次以上，可以扩大射频卡的存储容量和处理能力。
（4）电子标签的工作原理
有源电子标签又称主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通讯所需的射频能量。
半无源射频标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的标签电路供电。
标签未进人工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达10年有效；
当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射频信号激励，进人工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供应的射频能量为主（反射调制方式），标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。
无源电子标签（被动标签）没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。
无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。
无源电子标签在接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护。
（5）电子标签技术参数
a.存储容量
数据载体存储量的大小不同，系统的价格也不同。
数据载体的价格主要是由电子标签的存储容量确定的。
对于价格敏感、现场需求少的应用，应该选用固定编码的只读数据载体。
如果要向电子标签内写入信息，则需要采用EEPROM或RAM存储技术的电子标签，系统成本会有所增加。
b.安全要求
安全要求，一般指的是加密和身份认证。
对一个计划中的射频识别系统应该就其安全要求作出非常准确的评估，以便从一开始就排除在应用阶段可能会出现的各种危险攻击。
为此，要分析系统中存在的各种安全漏洞，攻击出现的可能性。
c.多电子标签同时识读性
由于系统可能需要同时对多个电子标签进行识别，因此，对读写器提供的多标签识读性也需要考虑。
这与读写器的识读性能，电子标签的移动速度等都有关系。
3.2RFID卡的数据完整性
3.2.1能量传送
RFID卡卡内没有电源，必须要由阅读器传送芯片运行所需要的所有能量。
耦合变压器原理是射频卡和阅读器之间能量的传递的基本原理。
传送能量是利用阅读器的天线可以产生强大的高频磁场，13.56kHz和125MHz是最常用的频率。
当有射频卡被放到读卡器的天线附近，线圈中就会有一部分读卡器天线的磁场从中穿过，在卡的线圈里电压Ui是感生电压，被整流后这个电压就用来对芯片供电。
由于卡片线圈与阅读器天线的耦合比较弱，为了达到必要的磁场强度，因此需要使天线线圈里的电流量增大，这通过用一个电容CT给线圈LT并联来实现，如图2.4所示。
为了使其所传递的信号频率和天线的并
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