朱俊嶺，田 慶

（肇慶學院 計算機學院，廣東 肇慶526061）

應用型RFID課程及實驗體系研究與探索

朱俊嶺，田 慶

（肇慶學院 計算機學院，廣東 肇慶526061）

RFID技術及應用是應用型本科院校對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識、能力、素質培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。文章針對現(xiàn)有RFID課程體系局限于介紹感知層的基礎原理和知識，概述RFID技術在實際生產(chǎn)、生活中的應用現(xiàn)狀及社會需求，對RFID應用系統(tǒng)中大量使用的知識及應用技術進行分析，提出將EPC標準的相關知識及通信層和應用層的相關技術等引入到課程及實驗體系中，以滿足人才培養(yǎng)的實際需求。

RFID；課程體系；實驗體系；物聯(lián)網(wǎng)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的目標是培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)技術研究、開發(fā)與應用的高級工程技術人才。射頻識別（radio frequency identif cation）技術、傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)技術是物聯(lián)網(wǎng)的三大關鍵技術，其中RFID技術是構建物聯(lián)網(wǎng)體系結構感知層的基礎之一，被廣泛應用于社會生產(chǎn)、生活的眾多領域，所以RFID技術在物聯(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)實意義。在目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，對知識和能力的要求是需要掌握 RFID 技術原理和RFID系統(tǒng)的設計與應用能力[1]。

1 RFID應用系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展、RFID技術的進一步成熟和成本的進一步降低，RFID技術在管理、生產(chǎn)、信息傳輸?shù)确矫娴膽靡驳玫搅搜该桶l(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間。

目前的RFID應用系統(tǒng)中，無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，最為成熟，市場上應用最廣泛，產(chǎn)品的主要工作頻率有低頻125KHz，使用ISO18000-2標準；高頻13.56MHz，使用ISO18000-3、ISO 14443、ISO15693標準，屬于近距離識別類，主要應用在門禁卡、公交卡等方面?，F(xiàn)有的課程體系基本覆蓋了這個方向的內(nèi)容，對RFID系統(tǒng)的基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術、電子標簽、讀寫器等基礎知識進行了介紹，針對基礎知識的實驗也能滿足培養(yǎng)目標的基本要求。

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

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

在各種RFID應用系統(tǒng)中，除了在感知層使用RFID和傳感器技術外，還涉及大量數(shù)據(jù)通信層和應用層的知識及應用。學生在學習過程中除了掌握RFID基礎知識及應用外，還應具備RFID應用及數(shù)據(jù)處理的相關知識，如EPC/ RFID、Barcode、LLRP、通信協(xié)議、系統(tǒng)集成技術等，為后續(xù)課程如物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息處理及多種形式的應用系統(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)容和教學通常以RFID原理及應用課程為主，偏重于理論知識，通常以ISO14443標準的RFID技術為平臺，基于特定的實驗設備，注重各模塊的原理和驗證，偏重于硬件，對RFID技術的基本概念、理論和方法進行介紹[2]。實驗條件集中在分析13.56MHz 與2.4GHz應用下閱讀器、標簽和天線等原理知識，并討論軟硬件的實現(xiàn)。

實踐環(huán)節(jié)更多集中在針對RFID的嵌入式系統(tǒng)應用、低頻近距離硬件設備的開發(fā)等，實踐內(nèi)容較為單一，超高頻設備、標準、軟件及應用較少涉及。在課程體系中涉及很多電子類知識，包含傳感器及嵌入式系統(tǒng)的硬件知識，對于網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)通信等超高頻、遠距離、有源RFID等應用方面缺乏支撐，而計算機專業(yè)的平臺課更多涉及軟件、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通信及處理等方面的知識，RFID的課程及實驗體系有必要將計算機專業(yè)的平臺知識體系包括網(wǎng)絡、通信、數(shù)據(jù)庫等與RFID技術以應用系統(tǒng)的方式融合起來[3]，將所學知識用于開發(fā)多種形式的RFID物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)甚至用于創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)訓練。物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的開發(fā)通常需要將感知層與數(shù)據(jù)層、互聯(lián)網(wǎng)相結合，現(xiàn)有課程及實驗體系結構的專業(yè)知識集中在感知層，沒有形成完整的層次結構和應用知識體系，對開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)實際應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準、通信協(xié)議、中間件和系統(tǒng)集成等方面的知識和實踐環(huán)節(jié)，將已有的基礎知識與應用系統(tǒng)的設計開發(fā)緊密結合起來，對課程及實驗體系進行探索，以便滿足人才培養(yǎng)的需要和社會對RFID應用型人才的需求。

3 物聯(lián)網(wǎng)RFID課程體系

要將RFID技術結構中的感知層、通信層和應用層結合起來，形成完善的物聯(lián)網(wǎng)RFID課程及實驗體系結構，可以在現(xiàn)有感知層基礎知識的結構上進行擴展，引入900MHz頻段的EPC/ RFID技術及2.4GHz頻段的RFID技術，分3個階段的內(nèi)容，各個階段的知識結構及對應物聯(lián)網(wǎng)的體系結構見表1。

第一個階段為感知層基礎知識：現(xiàn)有的課程設置及實驗環(huán)境中，對RFID系統(tǒng)基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術、電子標簽、讀寫器等基礎內(nèi)容有比較完善的原理知識介紹，目的是掌握基礎知識及基本原理。第二個階段是網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)處理：在實際的應用系統(tǒng)中，有些需要重新編碼，有些需要與現(xiàn)有的ERP等系統(tǒng)進行通信，而現(xiàn)有的系統(tǒng)很多使用了條碼技術，需要將條碼與EPC編碼進行相互轉換，因此在通信層需要的知識包含EPC編碼知識、Barcode和Sgtin96的相互轉換等。通常使用 CLASS1 GEN 2 電子標簽作為EPC編碼的載體，還需要有關電子標簽的知識。理論知識包含EPCglobal標準、讀寫器LLRP/Socket、ALE、中間件基礎知識、ESP（event stream process）和CEP（complex event process）事件處理引擎等基礎知識，目的是掌握應用開發(fā)的相關關鍵技術。第三個階段是綜合應用：可以根據(jù)實際需求，采用有源或者無源RFID技術，綜合應用所學知識，構建標簽、讀寫器、EPCIS Repository或應用數(shù)據(jù)庫、中間件等RFID應用系統(tǒng)，目的是培養(yǎng)學生設計開發(fā)綜合應用的能力。

表1 RFID應用知識課程體系

4 物聯(lián)網(wǎng)RFID實驗體系

結合基礎的理論知識，實驗體系也分3個階段的內(nèi)容逐層展開，各階段的實驗內(nèi)容及整個實驗體系的結構圖見表2。

表2 RFID實驗體系

第一個階段為感知層實驗：在現(xiàn)有的課程實驗環(huán)境中，對RFID系統(tǒng)基本組成、基本原理、射頻前端、天線技術、電子標簽、讀寫器等內(nèi)容有比較完善的基礎實驗。第二個階段為數(shù)據(jù)層實驗：采用900MHz頻段的EPC/RFID技術，讀寫器及標簽已經(jīng)較為成熟，實驗條件也容易滿足。讀寫器接入技術主要采用Socket技術或者LLRP協(xié)議接入，對于簡單應用系統(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)庫技術進行應用系統(tǒng)的開發(fā)。對于復雜應用系統(tǒng)，則要考慮通過軟件將標簽讀取信息封裝成事件，而在事件邏輯復雜的情況下，可以考慮引入中間件技術，現(xiàn)有的中間件技術包括開源軟件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系。第三階段為綜合設計階段：可以采用課程設計、創(chuàng)新學分和畢業(yè)設計的形式，以900MHz頻段的無源或者2.4GHz頻段的有源RFID技術為基礎設計開發(fā)一個RFID應用系統(tǒng)，甚至可以將Zigbee、Bluetooth、wif 技術融入有源RFID技術中，綜合應用所有傳感器及網(wǎng)絡基礎知識，嵌入式系統(tǒng)應用知識，RFID標準、系統(tǒng)、軟件、中間件、數(shù)據(jù)庫技術的基礎知識。這樣的課程及實驗體系結構可以將物聯(lián)網(wǎng)多層結構與RFID技術相結合，滿足人才培養(yǎng)的需求。

5 結 語

RFID 技術是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術之一，是整個物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識、能力結構當中的重要組成部分，結合生產(chǎn)、生活中實際應用系統(tǒng)所需要的知識及技術來構建RFID課程及實驗體系，對于應用型人才培養(yǎng)及創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)都具有非常重要的現(xiàn)實意義。提出將UHF技術及應用引入課程體系，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層、通信層和應用層在RFID應用上的融合，在具體內(nèi)容及細節(jié)的安排上進行進一步優(yōu)化，為RFID課程及實驗體系改革進行研究和探索，旨在為物聯(lián)網(wǎng)應用人才的培養(yǎng)提供更好的、結合實際的應用，為課程建設提供一定的參考和建議。

[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系與規(guī)范[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2012： 12-15.

[2] 曹國平, 王宜懷, 曹金華. 應用型本科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)RFID課程實踐教學研究[J]. 計算機教育, 2015(10)： 100-102.

[3] 吳宣夠, 王小林. 物聯(lián)網(wǎng)工程RFID課程教學研究與探索[J]. 安徽工業(yè)大學學報(社會科學版), 2015(3)： 101-102.

（見習編輯：張 勛）

1672-5913(2017)03-0144-04

G642

肇慶市科技計劃項目（2015B01041003）。

朱俊嶺，男，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應用技術，zhujunling@zqu.edu.cn。