基于超高频无源rfid的教室后勤系统

基于超高频无源rfid的教室后勤系统

0自动进行程序勤奋工作是加强学生管理、维护正常的教育秩序、确保各项教育任务成功的重要因素。这也是加强学生纪律和限制他们行为的必要手段。传统的方法是通过教师点名掌握学生的到课信息。面对学生人数较多的课堂,这种方法不仅费时费力,而且极易出现点名前后人数相差甚远的情况,失去了点名的意义。采用学生卡门禁系统,虽然免除了教师的点名工作,但门禁系统只能记录学生进门时间,不能动态掌握学生进入教室后的状态,如再次离开教室等,且门禁系统并不能杜绝一人持多卡刷卡签到的情况。本文提出一种结合RFID室内定位技术的教室考勤系统,使之既能快速完成点名,又能解决一人持多卡的问题。1rfid及其定位方法1.1目标对象识别射频识别(radiofrequencyidentification,RFID)是以射频信号为载体进行双向通信并最终达到识别目标对象的一种识别技术。其非接触式的识别过程使之能实现对目标对象识别的自动化。一个基本的RFID系统主要由读写器(reader)、天线(antennas)和电子标签(tag)三部分构成。读写器通过天线发送特定频率的射频信号,激活无源电子标签。标签将自身携带的相关信息通过射频信号回送给读写器,实现对标签的识别。1.2标签到读写器的距离定位算法现行的室内定位技术主要有红外线定位、超声波定位、IEEE802.11无线定位和RFID等。RFID以其非接触、非视距、低成本和信息传输范围大等许多优点,成为室内定位的主要技术之一。利用RFID标签的惟一标识特性可以判定该标签是否存在于规定的场所;通过读写器或读写器天线接收被识读标签间信号的到达时间TOA、到达时间差TDOA或相对接收信号强度RSSI等,可以判定标签到读写器的距离,由此计算出标签的位置,实现定位。在室内定位应用中,由于标签与读写器之间存在多径效应,基于时间计算的距离精度会受到影响。本文采用的是相对接收信号强度RSSI定位方法。根据读写器接收到的信号强度,可通过室内路径损耗模型计算出标签与读写器之间的距离:PL(d)=PL(d0)−10nlg(dd0)−Xσ(1)ΡL(d)=ΡL(d0)-10nlg(dd0)-Xσ(1)式中:d为标签到读写器天线的距离;d0为参考距离;n为环境参数,一般教室环境取值为2～4,可根据教室桌椅材料与布局通过现场测试调整;Xσ标准偏差为σ的高斯随机噪声变量;PL(d)是距离读写器天线d处的信号强度;PL(d0)是距离d0处的信号强度。由上述方程通过读写器读得的PL(d)可求出距离d。超高频RFID的识别距离通常能达10m左右,可以满足一般教室的室内定位要求。2物流系统的设计2.1教室学生卡的实时识别与定位学生用校园卡设计为13.56/915MHz双频卡。其中13.56MHz用于近场读/写,解决校内图书馆、食堂等信息读写与消费;超高频(UHF)915MHz用于进出校门和考勤等远距离识读与定位。学生持卡进入教室坐定后,教师可以在上课的任意时段通过计算机进行点名,即通过RFID对学生卡进行实时识别与定位操作,确定每一位同学是否到课及具体座位。以此来实现对学生到课信息的准确掌握,并最大程度地杜绝一人持多卡的现象。以教室的基本布局(任意两墙面及其墙角)设定基础坐标系,根据教室面积和读写器天线的有效覆盖范围,选定读写器天线个数,并安装在易于测量和计算的位置(图1中4个天线分别安装在教室的四角)。通过测量待测标签(学生卡)相对每一个天线的RSSI值,计算出标签到全部可达天线的距离,并计算出标签在基础坐标系中的位置。利用参考标签将教室的座位分布进行分区处理,简化定位算法。在确定的座位区域里,以典型参考标签建立坐标系,将座位区域划分成若干个单位区域,使得一个单位区域正好代表一个座位。如果2个(或2个以上的)待测标签落在同一单位区域内,则表明该座位上出现一人持多卡现象。整个学生卡定位的计算与管理、监控以及数据处理工作由教师教学用计算机结合相应的学生后台数据库管理软件完成。计算出的现场到课结果,最终用图形方式显示在计算机上,便于教师直观地掌握点名信息。2.2算法的实现(1)天线的参考标签教室座位的整体布局通常分为K个矩形区域(图1为典型1-2-1教室结构,分为3个座位区)。在每个区域的四角上设置参考标签RT4k-3,RT4k-2,RT4k-1,RT4k(k=1,2,…,K,下同),参考标签RTj的坐标为(xj,yj)(j=1,2,…,4K),依据4个参考标签的位置所确定的矩形区域Zk的宽Wk和长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)设区域Zk中的座位行数nk,座位列数mk,每个座位宽w,前后长l(含桌椅空间),则:w=Wk/mk‚l=Lk/nk(4)w=Wk/mk‚l=Lk/nk(4)图1中:读写器天线位于教室四周、(A),(B),(C),(D)为被测标签、为参考标签。在每个座位分区中,选定典型参考标签,建立座位分区参考坐标系,并通过现场实测获得各参考标签对应所有可覆盖的天线的参考信号强度值。图1中:表示参考标签RT1～RT12。RT1～RT4确定分区Z1,选定RT1为典型参考坐标原点(0,0),以RT1,RT3所确定的水平方向为x轴,RT1,RT2所确定的垂直方向为y轴建立参考坐标系。以座位宽w为x轴的单位长度,前后长l为y轴的单位长度。记由(m-1)w<x<mw,(n-1)l<y<nl确定的座位为Dmn。其中m=1,2,…,mk;n=1,2,…,nk。(2)天线二次微分方程在基础坐标系中,设(x,y)为待测标签的位置,(Xi,Yi)为第i个读写器天线的已知位置,则待定位标签到第i个读写器的距离为:di=(Xi−x)2+(Yi−y)2−−−−−−−−−−−−−−−−−√(5)di=(Xi-x)2+(Yi-y)2(5)将实际测得的待测标签相对于各天线的信号强度,通过式(1)计算后得出的距离值di,代入式(4)。取两两相邻的天线方程形成二元二次方程组,求解每个方程组的合理解。如:图2中,天线1与天线2的交点之一在A点,另一个交点应在墙面外,因此,A点为合理解。取全部解的算术平均值,即为每个标签的最终解:x=∑i=1Ixi/I‚y=∑i=1Iyi/I(6)x=∑i=1Ιxi/Ι‚y=∑i=1Ιyi/Ι(6)判断标签所在的座位区域,并转换成对应座位分区参考坐标,分别计算x/w和y/l并取整,得到标签所在的座位列号和行号,并记录到相应的座位数组D11,D12,D13,…,Dm(n-1),Dmn中。处理完所有标签,即可获得所有座位的落点信息。(3)邻区内落点个数逐一检查每个座位Dmn内的落点个数u。如果u的取值为0或1,则正常。如果座位Dnm中u的值大于等于2,则检查前后左右邻区,即Dm(n-1),Dm(n+1)、Dn(m-1)和Dn(m+1)中落点的个数,如果邻区内落点个数小于等于座位个数,则正常(防止出现因标签摆放姿态或位置造成的定位误差,使其落入邻近座位区域的情况)。否则为一人持多卡。2.3考勤信息查询模块教室考勤系统软件可采用VB或C++进行开发设计。软件系统包括:环境初始化模块、实时点名模块、考勤信息查询模块等。环境初始化模块用于设置教室的基本参数,包括设置课桌椅的尺寸与间距、参考标签的位置、座位分区等;实时点名模块主要由4个部分组成:(1)标签识读。用于确定所在教室区域内出现的所有标签,判别出勤名单和人数。(2)座位判定。将测出的待测标签的RSSI值,通过计算求解得到实际坐标值,并转换成相对坐标,确定其所在座位。(3)多卡检测。检查每个座位的就坐信息,记录出现多卡的座位。(4)结果显示。用不同的颜色,将实时点名的结果显示在计算机上并自动保存(亦可导出并由教师自行保存)。如:到课名单直接用绿色显示在对应座位上、无人座位显示成浅灰色、一座多卡用红色显示该座位的全部名单;缺勤名单列在屏幕的座位区域外;考勤信息查询模块用于通过日期、学号或姓名等选项查询当前或过往的考勤记录。此外,还可以根据实际需要添加其他功能模块。本文采用Alien9800读写器配4个9610圆极化天线,在由4列X5行共20个座位的单座位区域实验,实验结果及软件界面如图3所示。3监控校园景观设计基于RFID的技术特点,本文研究的教室考勤系统彻底摒弃了传统的点名方法,实现了课堂点名的自动化和高效化。教师能在上课的任意时段进行点名操作,并能有效地杜绝冒名顶替等现象,对学生迟到、早退、旷课等情况起到监督作用;随着高校招生规模的扩大,班级人数的增加,教师很难记住全部学生的姓名和相关信息。通过该系统,教师在完成点名的同时能直观地了解到学生所在位置等相关