基于 nfc 近场通讯技术的课堂智能签到系统的设计.pdf

第31卷 第1期 2015年3月 金 陵 科 技 学 院 学 报 journal of jinling institute of technology vol 31 no 1 mar 2015 基于nfc近场通讯技术的课堂智能签到系统的设计 许 晨 苏 忠 李 燕 金陵科技学院信息化建设与管理中心 江苏 南京 211169 摘 要 为进一 步 改 善 课 堂 智 能 签 到 的 执 行 效 果 提 出 了 一 种 新 的 基 于 近 场 通 讯 技 术 wear field com munication nfc 的课堂签到方法 后台系统通过nfc标签自动生成签到人员清单 课堂中的学生可以通过 校园卡在教师的nfc设备上完成智能签到 并给出了详细的设计思路和实现方法 关键词 近场通讯技术 校园卡 课堂 签到 中图分类号 tn929 5 文献标志码 a 文章编号 1672755x 2015 01003705 收稿日期 2015 0301 基金项目 江苏省现代教育技术研究课题 2014 r32521 作者简介 许晨 1968 男 江苏南京人 高级工程师 主要从事信息技术和现代教育技术研究 the designing of a intelligent class attendance system based on near field communication nfc technology xu chen su zhong li yan jinling institute of technology nanjing 211169 china abstract in order to improve the performance of the intelligent class attendance this paper proposesanewclass attendanceregistrationmethodbasedonnfctechnology the background system automatically generates a name list for students to sign in through the nfc labels meanwhile students can use their campus cards to fulfill the intelligent attendance regi stration in their teacher s nfc device the paper put forward a detailed designing procedure and a method to realized it key words nfc campus card class attendance registration 随着现代教育技术的不断发展 各种先进的教学手段和丰富的学习资源使教学环境得到极大的改善 而智慧教室的出现使教学现代化水平上升到了一个新的高度 智慧教室依托信息技术 实现了多教室同 步授课 学生课堂智能签到 全程录播 自动生成教学资源 课件云存储 虚拟桌面等多种先进的教学效果 其中课堂智能签到的实现使现代课堂告别了传统的应答式点名模式 节省了教师的授课时间 减轻了劳动 强度 目前一般采用3种方式实现课堂智能签到 1 校园卡刷卡签到模式 教室里设置读卡器 学生使用校 园卡刷卡签到后进入教室 完成签到过程 教师可以在后台系统中得到本次课程的签到统计数据 缺点是 操作较为繁琐 并且签到过程中不能显示学生照片 无法解决顶包代签的问题 2 教师在课堂上使用 wifi或蓝牙设备远程读取学生手机的网络编码实现签到 但需要额外付出维护学生网络编码的工作量 在签到过程中还需要学生同步配合 此外 学生手机的网络编码可以通过网络工具自行更改 仍然无法解 决顶包代签的问题 3 学生使用近场通讯技术 nfc 手机扫描教室里设置的nfc标签 然后通过网络上 金 陵 科 技 学 院 学 报第31卷 传到云服务器中实现签到 技术上解决了顶包代签问题 但这种方式需要每个学生拥有支持nfc的手机 并且在签到时都要连网 现阶段可操作性不强 nfc是near field communication的缩写 即近场通讯技术 nfc技术的信号传输方式和特性与其 它无线通信技术如wifi 蓝牙等有所不同 首先nfc的最大有效通信范围为10 cm 一般工作在1 4 cm 通信的双方在很近范围内才能建立连接 保证了通信环境的相对安全 1 而且卡片与设备的近距 离接触更加符合传统的签到习惯 其次 nfc的传输速率比较低 最大只有414 kbps 可以用来交换一些 重要数据 用于签到过程所涉及的数据交换非常合适 此外 nfc建立连接的速度只有0 1 s 明显优于 wifi和蓝牙 使得签到动作十分流畅 本研究提出了一种新的基于nfc技术的课堂智能签到方法 教师使用支持nfc的手机或平板电脑 作为接受签到设备 学生使用传统校园卡或nfc手机就可以进行签到操作 教师nfc设备通过校园网连 接数字化校园的共享数据平台 调用校园一卡通数据下载签到人员列表和签到人员照片 不需要额外维护 签到数据 该方案具有4个特点 1 只有教师需要使用nfc设备 学生可以使用传统的校园卡 保证了 方案实施的普适性 2 在签到的同时 签到学生的真实照片会同步显示在教师的签到设备或多媒体教室 的大屏幕上 杜绝了顶包代签现象 3 nfc安全机制保证了数据的真实性 4 直接使用学校现有的校园 卡数据作为签到人员基础数据 降低了系统维护的工作量 1 nfc技术背景 1 1 概述 nfc是近场通讯技术 通过nfc设备之间的简单触碰 就可以让使用者方便直观地交换信息 访问 内容与服务 nfc信息通过电磁感应耦合方式传递 是一种安全 快速的无线连接技术 nfc采取了信 号衰减技术 具有带宽高 距离近 能耗低的特点 其传输方式优于红外和蓝牙 表现在nfc比红外简单 更快更可靠 不需要对齐才能传输数据 与蓝牙相比 nfc的优势是近距离 适合用于交换财务信息 个人 信息等重要数据 2 1 2 工作模式 nfc支持3种工作模式 读卡器模式 点对点模式和卡模拟模式 1 2 1 读卡器模式 读卡器模式是指将nfc设备作为非接触式读卡器 从其他nfc标签上读取信息 读卡器模式又可以分为2种类型 1 读写标签模式 nfc设备读取nfc标签 然后自动分发给相关的应 用程序处理 这种方式可以进行智能海报 标签定位 导游信息等活动 2 传统读卡器模式 nfc设备发 送寻卡指令与传统rfid卡建立连接 根据需要可以发送各种非接触式操作指令 从而完成电子支付 身 份认证等功能 1 2 2 点对点模式 点对点模式是指两个nfc设备之间通过协议快速建立连接 进行信息交互 nfc 的短距离交互简化了认证识别过程 使访问更加直接 清楚和安全 点对点传输能够实现快速的信息交 换 正在得到越来越多的应用 1 2 3 卡模拟模式 卡模拟模式是指用nfc设备模拟一个传统rfid卡 这样nfc设备就可以替代现 有各种ic卡使用 nfc设备实现卡模拟模式还分为全终端方式和swp single wir protocol 方式 2种 3 1 3 技术特点 nfc技术融合了rfid和无线连接技术 可以满足用户信息访问的多种应用需求 具有以下优势 1 nfc与现有非接触智能卡技术兼容 2 能耗低 无需外部电源 nfc标签就可以直接借助nfc阅读器 射频发射的电量进行工作 3 保密性好 一次仅和一台设备通讯 并且距离近 射频范围小 使通信过程更 加安全 4 成本低廉 5 连接速度快 一般建立连接仅需要 0 1 s的时间 4 83 第1期 许晨 等 基于nfc近场通讯技术的课堂智能签到系统的设计 2 系统整体设计 图1 课堂智能签到系统结构 fig 1 structure diagram of the intelligent class attendance system 课堂智能签到系统整体结构如图1所示 课堂智能签到系统的工作过程分为2阶段 第1 阶段自动生成当前课程的人员签到表 每个教室都设 置了不同的nfc标签 教师在上课时间进入指定教 室 使用nfc设备 手机或平板电脑 靠近nfc标签 读取教室信息 通过网络发送至云端的课堂智能签到 系统服务程序 系统接收到教师和教室信息以后 通过 数字化校园的共享数据平台在教务系统数据库中进行 查询 取得当前时间段该教室上课的学生人员列表 然 后从一卡通系统数据库中查询相应的学生校园卡卡 号 最后将所有学生的姓名 照片 校园卡号等信息下 载到教师nfc设备中 完成学生签到表的自动生成 第2阶段为学生的签到阶段 教师可以将nfc设备连 接到多媒体教学系统的大屏幕上 每个进入教室的学 生使用校园卡 或nfc swp卡手机 靠近教师的nfc 签到设备 设备中运行的程序检测到学生的校园卡以 后立即读取卡中信息 再与签到表中信息进行比对 比对成功后在大屏幕上显示该同学的照片 照片是从 校园一卡通系统中得到的 学生无法篡改 可以避免代为签到的情况发生 完成本次签到 然后继续轮询 检测校园卡 等待下一个学生的到来 3 系统的具体实现 3 1 硬件环境准备 教师使用的接受签到设备是带有nfc芯片的android智能手机或平板电脑 本系统是在搭载 android 4 4 2的三星galaxy note 3智能手机上进行开发和测试的 nfc教室标签使用了恩智浦nxp ntag216芯片 存储容量888字节 单次读取时间为2 ms 读取距离0 30 mm 学生使用的校园卡是传 统的rfid m1卡 芯片为philips s50 教师nfc签到设备连接的多媒体教学系统是标准的多媒体录 播教室设备 3 2 系统服务环境的配置与部署 课堂智能签到系统的软件部分由教室nfc签到设备上运行客户端程序和云端运行的系统服务组成 系统服务环境主要包含web服务器 数据库服务器 wcf服务器 分布在3个独立的服务器虚拟机中 分别配置两个cpu处理器 8 g内存 100 g存储空间 操作系统与系统环境的配置如下 1 操作系统 windows server 2008 r2 2 web服务器 iis 7 5 3 数据库服务器 sql server 2008 4 wcf服务器 net framework 3 5 1 数据库服务器通过odi连接数字化校园共享数据平台服务器 通过平台上连接的学工系统数据库 教工人事数据库 校园一卡通数据库和教务系统数据库可以直接获取生成签到人员列表所需的课程信息 班级信息 学生信息 校园卡信息等 3 3 签到表生成子系统的实现 签到表生成子系统 实现的功能主要包括nfc检测 标签读取 安全检测 生成签到列表等 该子系统 的操作和处理流程如图2所示 93 金 陵 科 技 学 院 学 报第31卷 教师的nfc设备和教室nfc标签之间交换信息的数据格式是ndef消息 ndef是nfc data ex change format的简称 就是nfc数据交换格式 ndef消息由一个或多个ndef记录组成 5 系统在 教师nfc设备靠近教室nfc标签并探测到一个ndef消息时将被自动触发 系统读取并解析ndef消 息 分析签名数据并判断信息是否完整 在确认标签信息后 首先识别 sp 标志和 sig 标志 获得签名 rtd信息 系统调用公钥和rsa算法解密签名 得到密文的握手密码 再解析url中保存的明文密码 比对成功以后 就可以确认nfc标签信息的真实性 通过url访问 可以下载系统在云端服务程序中已 经自动生成的学生签到表 以上若干步骤中只要有一次未完成 系统会提醒用户信息读取失败 然后重新 开始轮询查找nfc标签 3 4 签到子系统的实现 签到子系统 实现的功能主要包括nfc检测 校园卡读取 安全检测 显示签到信息等 该子系统的操 作和处理流程如图3所示 图2 签到表生成子系统流程 fig 2 flow chart of the attendance form generation 图3 签到子系统流程 fig 3 flow chart of attendance sub system 当系统完成了第一阶段的签到表的生成以后 将自动转入签到子系统 轮询检测校园卡的信息连接 当教师nfc设备检测到学生的校园卡靠近时 将根据校园卡供应商的操作流程和数据规范分析卡中信 息 提取学生校园卡id号 加上智能签到系统的云服务程序中传递过来的课程id号 共同形成该同学的 签到信息 并将学生的姓名 照片等信息在屏幕上显示 以便进行比对 接着还要判断网络连接是否正常 如果正常 就将所有信息提交至智能签到系统的云服务程序 如果不正常 就暂时写入本地数据库 等检测 到网络连接恢复以后再进行提交 本次签到完成后 系统会继续轮询检测下一个学生的校园卡 3 5 云端签到系统服务的实现 当教师nfc签到设备通过读取教室里的nfc标签得到教室编号之后 设备上运行的app程序通过 04 第1期 许晨 等 基于nfc近场通讯技术的课堂智能签到系统的设计 网络向云端的签到系统服务程序提交教师编号和教室编号 系统服务将这两个编号与当前的系统绑定 通 过数字化校园的共享数据平台从教务系统数据库中查询得到应该在当前教室上课的班级编号以及班级所 有学生的名单 然后从校园一卡通数据库中查询每个学生的校园卡编号和照片 最后把所有数据编码成为 xml字串 下载到教师nfc签到设备中 完成本次签到表的自动生成 随后系统服务还要继续接收每个 学生的签到信息 记录在签到表中供教务管理机构查询统计 4 结 语 随着支持nfc手机的快速普及 基于nfc技术的应用不断发展 nfc的优势将得到更加充分的体 现 本文分析了现代教育技术中课堂智能签到应用的现状 比较了各种方案的优势和缺点 结合nfc近 场通讯技