應(yīng)用型RFID課程及實(shí)驗(yàn)體系研究與探索

朱俊嶺，田 慶

（肇慶學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 肇慶526061）

應(yīng)用型RFID課程及實(shí)驗(yàn)體系研究與探索

朱俊嶺，田 慶

（肇慶學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 肇慶526061）

RFID技術(shù)及應(yīng)用是應(yīng)用型本科院校對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識(shí)、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。文章針對(duì)現(xiàn)有RFID課程體系局限于介紹感知層的基礎(chǔ)原理和知識(shí)，概述RFID技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用現(xiàn)狀及社會(huì)需求，對(duì)RFID應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用的知識(shí)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行分析，提出將EPC標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)知識(shí)及通信層和應(yīng)用層的相關(guān)技術(shù)等引入到課程及實(shí)驗(yàn)體系中，以滿足人才培養(yǎng)的實(shí)際需求。

RFID；課程體系；實(shí)驗(yàn)體系；物聯(lián)網(wǎng)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究、開發(fā)與應(yīng)用的高級(jí)工程技術(shù)人才。射頻識(shí)別（radio frequency identif cation）技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的三大關(guān)鍵技術(shù)，其中RFID技術(shù)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層的基礎(chǔ)之一，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、生活的眾多領(lǐng)域，所以RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。在目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，對(duì)知識(shí)和能力的要求是需要掌握 RFID 技術(shù)原理和RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力[1]。

1 RFID應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展、RFID技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的進(jìn)一步降低，RFID技術(shù)在管理、生產(chǎn)、信息傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用也得到了迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。

目前的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，最為成熟，市場上應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)品的主要工作頻率有低頻125KHz，使用ISO18000-2標(biāo)準(zhǔn)；高頻13.56MHz，使用ISO18000-3、ISO 14443、ISO15693標(biāo)準(zhǔn)，屬于近距離識(shí)別類，主要應(yīng)用在門禁卡、公交卡等方面。現(xiàn)有的課程體系基本覆蓋了這個(gè)方向的內(nèi)容，對(duì)RFID系統(tǒng)的基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術(shù)、電子標(biāo)簽、讀寫器等基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了介紹，針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)也能滿足培養(yǎng)目標(biāo)的基本要求。

超高頻UHF讀寫器模塊工作在 902～928 MHz 頻段，兼容 EPC CLASS1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn)，使用ISO18000-6C 協(xié)議，主要應(yīng)用在生產(chǎn)線、物流倉儲(chǔ)、制造業(yè)領(lǐng)域。無源標(biāo)簽一般免維護(hù)，具有重量輕、體積小、壽命長、較便宜的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用廣泛。在超高頻UHF的應(yīng)用系統(tǒng)中，涉及標(biāo)簽的編碼、EPC（electronic product code）編碼與條碼的轉(zhuǎn)換、讀寫器的標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)協(xié)議、應(yīng)用層的事件處理等關(guān)鍵知識(shí)與應(yīng)用。這些內(nèi)容在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中被大量使用，但現(xiàn)有的課程體系中沒有相關(guān)的知識(shí)介紹。

有源RFID產(chǎn)品因其遠(yuǎn)距離識(shí)別特性，主要應(yīng)用在智能交通ETC和智慧城市等方面，工作在2.4GHz頻段，使用ISO18000-4標(biāo)準(zhǔn)，主要采用標(biāo)簽內(nèi)部電池供電，通常接多種傳感器，成本較高。半有源標(biāo)簽一般在工作時(shí)采用內(nèi)置電池供電，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用無源工作模式，應(yīng)用在一些特定場所，解決一些單純用有源或無源標(biāo)簽無法解決的問題。此外，還有一些標(biāo)簽中使用了雙界面方案，即同一標(biāo)簽支持幾種不同頻段，既可以近距離識(shí)別，也可以遠(yuǎn)距離識(shí)別。在這些應(yīng)用系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等知識(shí)都有大量的應(yīng)用，應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)屬于知識(shí)的綜合應(yīng)用。

在各種RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，除了在感知層使用RFID和傳感器技術(shù)外，還涉及大量數(shù)據(jù)通信層和應(yīng)用層的知識(shí)及應(yīng)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中除了掌握RFID基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用外，還應(yīng)具備RFID應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)，如EPC/ RFID、Barcode、LLRP、通信協(xié)議、系統(tǒng)集成技術(shù)等，為后續(xù)課程如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息處理及多種形式的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供支持。

2 物聯(lián)網(wǎng)RFID課程體系分析

目前RFID課程的內(nèi)容和教學(xué)通常以RFID原理及應(yīng)用課程為主，偏重于理論知識(shí)，通常以ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的RFID技術(shù)為平臺(tái)，基于特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，注重各模塊的原理和驗(yàn)證，偏重于硬件，對(duì)RFID技術(shù)的基本概念、理論和方法進(jìn)行介紹[2]。實(shí)驗(yàn)條件集中在分析13.56MHz 與2.4GHz應(yīng)用下閱讀器、標(biāo)簽和天線等原理知識(shí)，并討論軟硬件的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)踐環(huán)節(jié)更多集中在針對(duì)RFID的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、低頻近距離硬件設(shè)備的開發(fā)等，實(shí)踐內(nèi)容較為單一，超高頻設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)、軟件及應(yīng)用較少涉及。在課程體系中涉及很多電子類知識(shí)，包含傳感器及嵌入式系統(tǒng)的硬件知識(shí)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信等超高頻、遠(yuǎn)距離、有源RFID等應(yīng)用方面缺乏支撐，而計(jì)算機(jī)專業(yè)的平臺(tái)課更多涉及軟件、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通信及處理等方面的知識(shí)，RFID的課程及實(shí)驗(yàn)體系有必要將計(jì)算機(jī)專業(yè)的平臺(tái)知識(shí)體系包括網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)庫等與RFID技術(shù)以應(yīng)用系統(tǒng)的方式融合起來[3]，將所學(xué)知識(shí)用于開發(fā)多種形式的RFID物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)甚至用于創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)通常需要將感知層與數(shù)據(jù)層、互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，現(xiàn)有課程及實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識(shí)集中在感知層，沒有形成完整的層次結(jié)構(gòu)和應(yīng)用知識(shí)體系，對(duì)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用需求的支撐稍顯不足。因此，在RFID課程體系中可以考慮增加體系標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議、中間件和系統(tǒng)集成等方面的知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，將已有的基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)緊密結(jié)合起來，對(duì)課程及實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行探索，以便滿足人才培養(yǎng)的需要和社會(huì)對(duì)RFID應(yīng)用型人才的需求。

3 物聯(lián)網(wǎng)RFID課程體系

要將RFID技術(shù)結(jié)構(gòu)中的感知層、通信層和應(yīng)用層結(jié)合起來，形成完善的物聯(lián)網(wǎng)RFID課程及實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)，可以在現(xiàn)有感知層基礎(chǔ)知識(shí)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行擴(kuò)展，引入900MHz頻段的EPC/ RFID技術(shù)及2.4GHz頻段的RFID技術(shù)，分3個(gè)階段的內(nèi)容，各個(gè)階段的知識(shí)結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)見表1。

第一個(gè)階段為感知層基礎(chǔ)知識(shí)：現(xiàn)有的課程設(shè)置及實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)RFID系統(tǒng)基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術(shù)、電子標(biāo)簽、讀寫器等基礎(chǔ)內(nèi)容有比較完善的原理知識(shí)介紹，目的是掌握基礎(chǔ)知識(shí)及基本原理。第二個(gè)階段是網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理：在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，有些需要重新編碼，有些需要與現(xiàn)有的ERP等系統(tǒng)進(jìn)行通信，而現(xiàn)有的系統(tǒng)很多使用了條碼技術(shù)，需要將條碼與EPC編碼進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，因此在通信層需要的知識(shí)包含EPC編碼知識(shí)、Barcode和Sgtin96的相互轉(zhuǎn)換等。通常使用 CLASS1 GEN 2 電子標(biāo)簽作為EPC編碼的載體，還需要有關(guān)電子標(biāo)簽的知識(shí)。理論知識(shí)包含EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)、讀寫器LLRP/Socket、ALE、中間件基礎(chǔ)知識(shí)、ESP（event stream process）和CEP（complex event process）事件處理引擎等基礎(chǔ)知識(shí)，目的是掌握應(yīng)用開發(fā)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。第三個(gè)階段是綜合應(yīng)用：可以根據(jù)實(shí)際需求，采用有源或者無源RFID技術(shù)，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，構(gòu)建標(biāo)簽、讀寫器、EPCIS Repository或應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、中間件等RFID應(yīng)用系統(tǒng)，目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)綜合應(yīng)用的能力。

表1 RFID應(yīng)用知識(shí)課程體系

4 物聯(lián)網(wǎng)RFID實(shí)驗(yàn)體系

結(jié)合基礎(chǔ)的理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)體系也分3個(gè)階段的內(nèi)容逐層展開，各階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系的結(jié)構(gòu)圖見表2。

表2 RFID實(shí)驗(yàn)體系

第一個(gè)階段為感知層實(shí)驗(yàn)：在現(xiàn)有的課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)RFID系統(tǒng)基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術(shù)、電子標(biāo)簽、讀寫器等內(nèi)容有比較完善的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。第二個(gè)階段為數(shù)據(jù)層實(shí)驗(yàn)：采用900MHz頻段的EPC/RFID技術(shù)，讀寫器及標(biāo)簽已經(jīng)較為成熟，實(shí)驗(yàn)條件也容易滿足。讀寫器接入技術(shù)主要采用Socket技術(shù)或者LLRP協(xié)議接入，對(duì)于簡單應(yīng)用系統(tǒng)，讀寫器接入后就可以直接獲取感知層信息，可以采用ALE (application level event)或者自定義事件處理，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)，則要考慮通過軟件將標(biāo)簽讀取信息封裝成事件，而在事件邏輯復(fù)雜的情況下，可以考慮引入中間件技術(shù)，現(xiàn)有的中間件技術(shù)包括開源軟件Fosstrak、RIFIDI、Microsoft Biztalk RFID等中間件，在中間件中引入ESP（event stream process）和CEP（complex event process）事件處理引擎，如Esper和Drools等，通過事件處理引擎，編寫規(guī)則處理事件以及事件之間的關(guān)系。第三階段為綜合設(shè)計(jì)階段：可以采用課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新學(xué)分和畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式，以900MHz頻段的無源或者2.4GHz頻段的有源RFID技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)RFID應(yīng)用系統(tǒng)，甚至可以將Zigbee、Bluetooth、wif 技術(shù)融入有源RFID技術(shù)中，綜合應(yīng)用所有傳感器及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用知識(shí)，RFID標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)、軟件、中間件、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。這樣的課程及實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)可以將物聯(lián)網(wǎng)多層結(jié)構(gòu)與RFID技術(shù)相結(jié)合，滿足人才培養(yǎng)的需求。

5 結(jié) 語

RFID 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)之一，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識(shí)、能力結(jié)構(gòu)當(dāng)中的重要組成部分，結(jié)合生產(chǎn)、生活中實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)所需要的知識(shí)及技術(shù)來構(gòu)建RFID課程及實(shí)驗(yàn)體系，對(duì)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)及創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。提出將UHF技術(shù)及應(yīng)用引入課程體系，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層、通信層和應(yīng)用層在RFID應(yīng)用上的融合，在具體內(nèi)容及細(xì)節(jié)的安排上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為RFID課程及實(shí)驗(yàn)體系改革進(jìn)行研究和探索，旨在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人才的培養(yǎng)提供更好的、結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，為課程建設(shè)提供一定的參考和建議。

[1] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012： 12-15.

[2] 曹國平, 王宜懷, 曹金華. 應(yīng)用型本科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)RFID課程實(shí)踐教學(xué)研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(10)： 100-102.

[3] 吳宣夠, 王小林. 物聯(lián)網(wǎng)工程RFID課程教學(xué)研究與探索[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2015(3)： 101-102.

（見習(xí)編輯：張 勛）

1672-5913(2017)03-0144-04

G642

肇慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B01041003）。

朱俊嶺，男，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，zhujunling@zqu.edu.cn。