基于超高頻無源rfid的教室后勤系統(tǒng)

基于超高頻無源rfid的教室后勤系統(tǒng)

0自動(dòng)進(jìn)行程序勤奮工作是加強(qiáng)學(xué)生管理、維護(hù)正常的教育秩序、確保各項(xiàng)教育任務(wù)成功的重要因素。這也是加強(qiáng)學(xué)生紀(jì)律和限制他們行為的必要手段。傳統(tǒng)的方法是通過教師點(diǎn)名掌握學(xué)生的到課信息。面對(duì)學(xué)生人數(shù)較多的課堂,這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且極易出現(xiàn)點(diǎn)名前后人數(shù)相差甚遠(yuǎn)的情況,失去了點(diǎn)名的意義。采用學(xué)生卡門禁系統(tǒng),雖然免除了教師的點(diǎn)名工作,但門禁系統(tǒng)只能記錄學(xué)生進(jìn)門時(shí)間,不能動(dòng)態(tài)掌握學(xué)生進(jìn)入教室后的狀態(tài),如再次離開教室等,且門禁系統(tǒng)并不能杜絕一人持多卡刷卡簽到的情況。本文提出一種結(jié)合RFID室內(nèi)定位技術(shù)的教室考勤系統(tǒng),使之既能快速完成點(diǎn)名,又能解決一人持多卡的問題。1rfid及其定位方法1.1目標(biāo)對(duì)象識(shí)別射頻識(shí)別(radiofrequencyidentification,RFID)是以射頻信號(hào)為載體進(jìn)行雙向通信并最終達(dá)到識(shí)別目標(biāo)對(duì)象的一種識(shí)別技術(shù)。其非接觸式的識(shí)別過程使之能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象識(shí)別的自動(dòng)化。一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)主要由讀寫器(reader)、天線(antennas)和電子標(biāo)簽(tag)三部分構(gòu)成。讀寫器通過天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào),激活無源電子標(biāo)簽。標(biāo)簽將自身攜帶的相關(guān)信息通過射頻信號(hào)回送給讀寫器,實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別。1.2標(biāo)簽到讀寫器的距離定位算法現(xiàn)行的室內(nèi)定位技術(shù)主要有紅外線定位、超聲波定位、IEEE802.11無線定位和RFID等。RFID以其非接觸、非視距、低成本和信息傳輸范圍大等許多優(yōu)點(diǎn),成為室內(nèi)定位的主要技術(shù)之一。利用RFID標(biāo)簽的惟一標(biāo)識(shí)特性可以判定該標(biāo)簽是否存在于規(guī)定的場所;通過讀寫器或讀寫器天線接收被識(shí)讀標(biāo)簽間信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA、到達(dá)時(shí)間差TDOA或相對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI等,可以判定標(biāo)簽到讀寫器的距離,由此計(jì)算出標(biāo)簽的位置,實(shí)現(xiàn)定位。在室內(nèi)定位應(yīng)用中,由于標(biāo)簽與讀寫器之間存在多徑效應(yīng),基于時(shí)間計(jì)算的距離精度會(huì)受到影響。本文采用的是相對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI定位方法。根據(jù)讀寫器接收到的信號(hào)強(qiáng)度,可通過室內(nèi)路徑損耗模型計(jì)算出標(biāo)簽與讀寫器之間的距離:PL(d)=PL(d0)?10nlg(dd0)?Xσ(1)ΡL(d)=ΡL(d0)-10nlg(dd0)-Xσ(1)式中:d為標(biāo)簽到讀寫器天線的距離;d0為參考距離;n為環(huán)境參數(shù),一般教室環(huán)境取值為2～4,可根據(jù)教室桌椅材料與布局通過現(xiàn)場測試調(diào)整;Xσ標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的高斯隨機(jī)噪聲變量;PL(d)是距離讀寫器天線d處的信號(hào)強(qiáng)度;PL(d0)是距離d0處的信號(hào)強(qiáng)度。由上述方程通過讀寫器讀得的PL(d)可求出距離d。超高頻RFID的識(shí)別距離通常能達(dá)10m左右,可以滿足一般教室的室內(nèi)定位要求。2物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1教室學(xué)生卡的實(shí)時(shí)識(shí)別與定位學(xué)生用校園卡設(shè)計(jì)為13.56/915MHz雙頻卡。其中13.56MHz用于近場讀/寫,解決校內(nèi)圖書館、食堂等信息讀寫與消費(fèi);超高頻(UHF)915MHz用于進(jìn)出校門和考勤等遠(yuǎn)距離識(shí)讀與定位。學(xué)生持卡進(jìn)入教室坐定后,教師可以在上課的任意時(shí)段通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行點(diǎn)名,即通過RFID對(duì)學(xué)生卡進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別與定位操作,確定每一位同學(xué)是否到課及具體座位。以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生到課信息的準(zhǔn)確掌握,并最大程度地杜絕一人持多卡的現(xiàn)象。以教室的基本布局(任意兩墻面及其墻角)設(shè)定基礎(chǔ)坐標(biāo)系,根據(jù)教室面積和讀寫器天線的有效覆蓋范圍,選定讀寫器天線個(gè)數(shù),并安裝在易于測量和計(jì)算的位置(圖1中4個(gè)天線分別安裝在教室的四角)。通過測量待測標(biāo)簽(學(xué)生卡)相對(duì)每一個(gè)天線的RSSI值,計(jì)算出標(biāo)簽到全部可達(dá)天線的距離,并計(jì)算出標(biāo)簽在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置。利用參考標(biāo)簽將教室的座位分布進(jìn)行分區(qū)處理,簡化定位算法。在確定的座位區(qū)域里,以典型參考標(biāo)簽建立坐標(biāo)系,將座位區(qū)域劃分成若干個(gè)單位區(qū)域,使得一個(gè)單位區(qū)域正好代表一個(gè)座位。如果2個(gè)(或2個(gè)以上的)待測標(biāo)簽落在同一單位區(qū)域內(nèi),則表明該座位上出現(xiàn)一人持多卡現(xiàn)象。整個(gè)學(xué)生卡定位的計(jì)算與管理、監(jiān)控以及數(shù)據(jù)處理工作由教師教學(xué)用計(jì)算機(jī)結(jié)合相應(yīng)的學(xué)生后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成。計(jì)算出的現(xiàn)場到課結(jié)果,最終用圖形方式顯示在計(jì)算機(jī)上,便于教師直觀地掌握點(diǎn)名信息。2.2算法的實(shí)現(xiàn)(1)天線的參考標(biāo)簽教室座位的整體布局通常分為K個(gè)矩形區(qū)域(圖1為典型1-2-1教室結(jié)構(gòu),分為3個(gè)座位區(qū))。在每個(gè)區(qū)域的四角上設(shè)置參考標(biāo)簽RT4k-3,RT4k-2,RT4k-1,RT4k(k=1,2,…,K,下同),參考標(biāo)簽RTj的坐標(biāo)為(xj,yj)(j=1,2,…,4K),依據(jù)4個(gè)參考標(biāo)簽的位置所確定的矩形區(qū)域Zk的寬Wk和長Lk,有:Wk=x4k?1?x4k?3(2)Lk=y4k?2?y4k?3(3)Wk=x4k-1-x4k-3(2)Lk=y4k-2-y4k-3(3)設(shè)區(qū)域Zk中的座位行數(shù)nk,座位列數(shù)mk,每個(gè)座位寬w,前后長l(含桌椅空間),則:w=Wk/mk?l=Lk/nk(4)w=Wk/mk?l=Lk/nk(4)圖1中:讀寫器天線位于教室四周、(A),(B),(C),(D)為被測標(biāo)簽、為參考標(biāo)簽。在每個(gè)座位分區(qū)中,選定典型參考標(biāo)簽,建立座位分區(qū)參考坐標(biāo)系,并通過現(xiàn)場實(shí)測獲得各參考標(biāo)簽對(duì)應(yīng)所有可覆蓋的天線的參考信號(hào)強(qiáng)度值。圖1中:表示參考標(biāo)簽RT1～RT12。RT1～RT4確定分區(qū)Z1,選定RT1為典型參考坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0),以RT1,RT3所確定的水平方向?yàn)閤軸,RT1,RT2所確定的垂直方向?yàn)閥軸建立參考坐標(biāo)系。以座位寬w為x軸的單位長度,前后長l為y軸的單位長度。記由(m-1)w<x<mw,(n-1)l<y<nl確定的座位為Dmn。其中m=1,2,…,mk;n=1,2,…,nk。(2)天線二次微分方程在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中,設(shè)(x,y)為待測標(biāo)簽的位置,(Xi,Yi)為第i個(gè)讀寫器天線的已知位置,則待定位標(biāo)簽到第i個(gè)讀寫器的距離為:di=(Xi?x)2+(Yi?y)2?????????????????√(5)di=(Xi-x)2+(Yi-y)2(5)將實(shí)際測得的待測標(biāo)簽相對(duì)于各天線的信號(hào)強(qiáng)度,通過式(1)計(jì)算后得出的距離值di,代入式(4)。取兩兩相鄰的天線方程形成二元二次方程組,求解每個(gè)方程組的合理解。如:圖2中,天線1與天線2的交點(diǎn)之一在A點(diǎn),另一個(gè)交點(diǎn)應(yīng)在墻面外,因此,A點(diǎn)為合理解。取全部解的算術(shù)平均值,即為每個(gè)標(biāo)簽的最終解:x=∑i=1Ixi/I?y=∑i=1Iyi/I(6)x=∑i=1Ιxi/Ι?y=∑i=1Ιyi/Ι(6)判斷標(biāo)簽所在的座位區(qū)域,并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)座位分區(qū)參考坐標(biāo),分別計(jì)算x/w和y/l并取整,得到標(biāo)簽所在的座位列號(hào)和行號(hào),并記錄到相應(yīng)的座位數(shù)組D11,D12,D13,…,Dm(n-1),Dmn中。處理完所有標(biāo)簽,即可獲得所有座位的落點(diǎn)信息。(3)鄰區(qū)內(nèi)落點(diǎn)個(gè)數(shù)逐一檢查每個(gè)座位Dmn內(nèi)的落點(diǎn)個(gè)數(shù)u。如果u的取值為0或1,則正常。如果座位Dnm中u的值大于等于2,則檢查前后左右鄰區(qū),即Dm(n-1),Dm(n+1)、Dn(m-1)和Dn(m+1)中落點(diǎn)的個(gè)數(shù),如果鄰區(qū)內(nèi)落點(diǎn)個(gè)數(shù)小于等于座位個(gè)數(shù),則正常(防止出現(xiàn)因標(biāo)簽擺放姿態(tài)或位置造成的定位誤差,使其落入鄰近座位區(qū)域的情況)。否則為一人持多卡。2.3考勤信息查詢模塊教室考勤系統(tǒng)軟件可采用VB或C++進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)包括:環(huán)境初始化模塊、實(shí)時(shí)點(diǎn)名模塊、考勤信息查詢模塊等。環(huán)境初始化模塊用于設(shè)置教室的基本參數(shù),包括設(shè)置課桌椅的尺寸與間距、參考標(biāo)簽的位置、座位分區(qū)等;實(shí)時(shí)點(diǎn)名模塊主要由4個(gè)部分組成:(1)標(biāo)簽識(shí)讀。用于確定所在教室區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的所有標(biāo)簽,判別出勤名單和人數(shù)。(2)座位判定。將測出的待測標(biāo)簽的RSSI值,通過計(jì)算求解得到實(shí)際坐標(biāo)值,并轉(zhuǎn)換成相對(duì)坐標(biāo),確定其所在座位。(3)多卡檢測。檢查每個(gè)座位的就坐信息,記錄出現(xiàn)多卡的座位。(4)結(jié)果顯示。用不同的顏色,將實(shí)時(shí)點(diǎn)名的結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)上并自動(dòng)保存(亦可導(dǎo)出并由教師自行保存)。如:到課名單直接用綠色顯示在對(duì)應(yīng)座位上、無人座位顯示成淺灰色、一座多卡用紅色顯示該座位的全部名單;缺勤名單列在屏幕的座位區(qū)域外;考勤信息查詢模塊用于通過日期、學(xué)號(hào)或姓名等選項(xiàng)查詢當(dāng)前或過往的考勤記錄。此外,還可以根據(jù)實(shí)際需要添加其他功能模塊。本文采用Alien9800讀寫器配4個(gè)9610圓極化天線,在由4列X5行共20個(gè)座位的單座位區(qū)域?qū)嶒?yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果及軟件界面如圖3所示。3監(jiān)控校園景觀設(shè)計(jì)基于RFID的技術(shù)特點(diǎn),本文研究的教室考勤系統(tǒng)徹底摒棄了傳統(tǒng)的點(diǎn)名方法,實(shí)現(xiàn)了課堂點(diǎn)名的自動(dòng)化和高效化。教師能在上課的任意時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)名操作,并能有效地杜絕冒名頂替等現(xiàn)象,對(duì)學(xué)生遲到、早退、曠課等情況起到監(jiān)督作用;隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大,班級(jí)人數(shù)的增加,教師很難記住全部學(xué)生的姓名和相關(guān)信息。通過該系統(tǒng),教師在完成點(diǎn)名的同時(shí)能直觀地了解到學(xué)生所在位置等相關(guān)