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基于物联网技术的智慧教室一体化学生管理终端设计

2023-02-07康梦洁

现代电子技术 2023年3期
关键词:时隙射频标签

康梦洁

(中北大学,山西 太原 030051)

0 引言

建设智慧教室是信息化校园的一个重点步骤,智慧教室是在智慧地球这一大概念下伴随而生的概念,能够使教室变成一个智能化教学场所,实现各种教学资源的无缝接入[1]。随着各种新兴专业的设置以及高校招生规模的扩大,高校都在积极建设智慧教室,在智慧教室中如何对学生进行高效管理成为社会各界和教育行业关心的热点。综上所述,基于学生的综合性、个体性发展需求以及高校管理需求,智慧教室学生管理终端已经成为一个研究热点。

对于智慧教室管理终端问题的研究,目前世界各国都很重视,国外对于该问题的研究整体起步较早,而我国近几年对该问题的研究也越来越重视,并取得了一定研究成果。文献[2]提出一种智慧教室管理系统终端,实现了较高的管理效率。文献[3]则提出一种基于窄带物联网的课堂管理系统,能够对监控数据进行分析,实现了对座位资源与学生考勤的有效管理。本文借鉴以上研究成果,设计了一种针对学生管理的基于物联网技术的智慧教室一体化管理终端。

1 智慧教室一体化学生管理终端设计

1.1 射频识别模块设计

基于物联网技术设计射频识别模块,实现学生位置信息与教学信息的管理[4]。该模块由电子标签、应用系统、RFID读写器构成,该模块的工作流程如图1所示。

图1 射频识别模块的工作流程

其中读写器的设计具体如下:由电源管理部分、外围电路部分、通信单元、射频单元以及主控制单元构成。在主控制单元中,选择的微控制芯片为STM32F429;在射频单元中,选择较低功耗的M-2800射频装置;在通信单元中选用的通信方式为4G;在外围电路部分中共设计两个外围电路,一个是调试电路,另一个是存储控制电路;在电源管理部分中,通过12 V电压向各模块供电[5]。

将射频标签嵌入校园一卡通中,学生仅通过一张校园一卡通即可实现多种功能。射频标签的设计具体如下:由9形微带谐振器、主微带传输线、射频单元、金属接地板以及数据存储器构成。

选择Rogers RO4003作为标签的金属接地板,射频装置同样选择M-2800,而9形微带谐振器的材质选择铜[6]。

主微带传输线即天线的设计具体如下:同样选用Rogers RO4003作为其介质基板,在基板下层设置金属接地面,上层则设置辐射贴片与50 Ω的微带馈电线。

将数据存储器划分为16个扇区,分别在各扇区放置4个数据块,共能够存储1 024个字节,并设置一个隐藏的扇区,用于存放校验字节、卡号与固有数据,该处内容是无法篡改的,因此仅具有读功能[7]。当对该标签进行复制时,隐藏扇区将同时具有可写功能和可读功能,通过该特性也可以对真卡和复制卡进行区分,杜绝通过非法卡入侵智慧教室的现象。

1.2 处理器模块设计

在处理器模块中设计一种嵌入式微处理器,实现中断的控制与数据传输。设计的微处理器内核由运算器、寄存器堆、控制单元、指令寄存器、程序计数器等构成,电路设计如图2所示[8],并为其配置一些外围设备,以完善其功能。

图2 嵌入式微处理器电路设计

通过片上总线连接外围设备与内核。共配置3种外围设备,包括定时器、异步串行接口UART、通用I/O接口。其中选择32位计数器作为微处理器的定时器,用于指导内核执行中断程序的时间。设置多个通用I/O接口,各接口均为独立接口,无法实施功能复用[9]。所设置的接口具体包括与智慧教室多媒体黑板、LED灯开关等各种设施的连接接口。

设计6种UART接口,分别为FIFO模块、波特率产生器、发送控制器、发送模块、接收控制器、接收模块,同样通过AXI4总线实现6种UART接口的互联。

1.3 标签防碰撞模块设计

在标签防碰撞模块中,设计一种结合CGCT算法与动态帧时隙算法的标签防碰撞算法,解决学生标签碰撞问题[10]。

该算法的识别流程具体如下:

1)阅读器初始化处理

将帧长设定为Gi,对帧长实施初始化处理,也就是使i=0。将空闲时隙计数器用m1表示,成功时隙计数器用m3表示,标签随机选择时隙用H表示,碰撞时隙计数器用m2表示,并分别对以上参数实施初始化处理,即使其取值为0。用m4表示识别标签计数器,并将H定为响应时隙。

2)查询指令发送与响应

阅读器向处在识别范围内的射频标签发出查询指令,由选择H的标签对阅读器进行响应[11]。

3)时隙状态判断

阅读器以标签响应情况为依据对该时隙的状态进行判断。当阅读器成功识别该时隙的射频标签,则返回上一步,并且对响应时隙H与成功时隙计数器m3进行更新,具体如下:

当该时隙中没有射频标签响应阅读器,返回上一步,并且对响应时隙H与空闲时隙计数器m1进行更新,具体如下:

当发生碰撞,对碰撞时隙计数器m2进行更新,具体如式(3),并继续执行下一步。

4)碰撞位情况判断

由阅读器对碰撞位情况进行判断,并通过校验信息位特征校验碰撞信息[12]。当碰撞位数在3以下,以校验位特征信息为依据对碰撞标签信息进行确定,并且对识别标签计数器m4与响应时隙H进行更新:

当碰撞位数是3位或大于3位,由阅读器分别将最高位置0和1,与前面未碰撞的信息位相结合形成查询前缀,并将其压入堆栈中,以堆栈顺序为依据对前缀进行逐步查询。当只有一个响应标签,则对识别标签计数器m4进行更新,并继续对堆栈中的前缀进行查询:

当堆栈为空,直接返回步骤2),并对响应时隙H进行更新:

5)未识别时隙判断与未识别标签判断

对是否还存在未识别的时隙进行判断。当式(7)成立,直接返回步骤2),否则,继续对是否存在未识别标签进行判断。

在未识别标签的判断中,当式(8)成立:

则直接结束识别过程,否则将i的值加1,对帧长Gi进行计算,并返回步骤1)[13]。

1.4 数据库模块设计

在数据库模块中设置多个数据表,包括学生信息表、智慧教室信息表、RFID机器信息表、班级信息表、扫描装置信息表、RFID识别信息表以及考核评分表[14]。其中学生信息表包含内容如表1所示。

表1 学生信息表

通过数据表对终端信息进行存储。数据库模块使用千兆服务器网卡,并配置至少3块RAID5硬盘,用于备份数据。

1.5 应用程序模块设计

在应用程序模块中设计多种管理程序,包括考勤管理程序、用户信息管理程序、学生位置管理程序。

通过考勤管理程序能够记录学生进入和离开智慧教室的时间,与上课时间对比后,即可获取学生的考勤结果。该程序可以分为两个功能模块:一个是课堂考勤查询模块,也就是根据考勤结果统计迟到、缺勤、正常出席的人数;另一个是课堂考勤数据模块,能够显示学生考勤记录,包括考勤结果、教师姓名、课程名称、上课地点等[15]。

通过学生位置管理程序能够对学生位置信息进行查询、更新、存储以及采集,其中位置数据主要来自于RFID识别。该程序的时序图如图3所示。

图3 学生位置管理程序的时序图

在用户信息管理程序中设置一个用户信息管理员,对学生与教师的信息进行管理,同时根据学校的发展情况对智慧教室进行删除或增加。

2 终端应用

2.1 测试项目

在某高校的多个智慧教室中应用设计的基于物联网技术的智慧教室一体化学生管理终端对学生进行一体化管理,测试该终端的表现性能。在终端的应用中,为每个学生配置一个内置射频标签的校园一卡通,通过该一卡通实现智慧教室中学生的考勤管理、位置管理等。

首先测试读写器对整个智慧教室的射频标签进行读取所需要的时间,也就是实施多标签读取时间测试。测试不同大小、不同人数的智慧教室的多标签读取时间,观察终端整体表现。

接着测试标签防碰撞算法运行时的吞吐率即标签识别效率,具体计算公式如下:

式中:R(Q)为标签识别效率,Q指视频标签数量;F(Q)指总查询次数;P指区数即智慧教室的数量。

最后测试终端的并发性,使用Load Runner软件模拟终端的多用户状态,对终端实施压力测试。同时通过该软件对不同用户进行权限验证,观察用户是否能够访问到与自身权限相对应的终端资源。

在测试中为形成对比效果,将智慧教室管理系统终端与基于窄带物联网的课堂管理系统作为对比终端,共同进行性能测试,并分别用终端1、终端2表示。观察设计的终端是否拥有更出色的表现性能。

2.2 多标签读取时间测试结果

在该部分的性能测试中,主要测试不同大小、不同人数的智慧教室的多标签读取时间,测试结果如表2所示。

表2 多标签读取时间测试结果

根据表2的测试结果,在智慧教室面积越大、容纳学生人数越多时,终端多标签读取时间越长。但整体来说,设计终端多标签读取时间远低于终端1、终端2这两个用于对比的终端,表现出了出色的性能。

2.3 标签识别效率测试结果

三种终端的标签识别效率最终测试结果如图4所示。

图4 三种终端的标签识别效率

图4的测试结果表明,设计终端的标签识别效率远高于终端1、终端2的标签识别效率。不仅如此,设计终端的标签识别效率整体比较稳定,而终端1、终端2的标签识别效率则波动较大,不够平稳。

2.4 压力测试结果

通过Load Runner软件对终端实施压力测试的测试结果如图5所示。

图5 压力测试结果

在压力测试中,共测试了两项内容,一种是终端的内存使用率,另一种是终端的CPU使用率。观察图5可知,设计终端在测试中不论是内存使用率,还是CPU使用率都低于两种对比终端,其中内存使用率始终低于50%,CPU使用率始终低于55%。

通过该软件对不同用户进行权限验证时,验证结果如图6所示。

图6 权限验证结果

根据图6的权限验证结果,设计终端中用户访问的资源与自身权限匹配率较高,终端1、终端2用户访问的资源与自身权限匹配率整体低于设计终端。同时,对于三种用户来说,整体来看学生访问的资源与自身权限匹配率最低,管理员最高。

3 结语

随着智慧教室这一概念在高校中越来越风靡,高校开始追求学生的一体化管理,使智慧教室能够彻底走向智能化、信息化发展方向。因此,本文设计了一种基于物联网技术的智慧教室一体化学生管理终端,实现了多方向的一体化学生管理,对于智慧教室在我国的推广有很大帮助。

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