基于RFID的教室考勤系統設計研究

摘 要:針對傳統的課堂點名方式效率低下及門禁刷卡考勤不能實時掌握到課人數的現狀，提出一種基于超高頻無源RFID的教室考勤系統:通過RFID標簽的惟一標識特性判斷持卡人是否出勤;采用基于接收信號強度RSSI的定位算法，計算出持卡人的座位，并通過查重算法排除一人持多卡的現象。實現了對課堂到課情況的實時高效點名和考勤手段的信息化。關鍵詞:RFID; RSSI; 考勤;參考標簽

中圖分類號:TN911-34;TP391 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0044-03

Attendance System for Classroom with RFID

LU Shao-ping1，2， ZHENG Ming2， WU Yao-hua1

(1.College of Control Science and Engineering， Shandong University， Ji′nan 250061， China;

2. Business School of Shenzhen University， Shenzhen 518060， China)

Abstract: In order to master students′ attendance quickly and accurately， an attendance system for classroom with passive UHF RFID is introduced. To judge the students' attendance by the unique ID，a location algorithm based on received signal strength indication is used to calculate the seat of cardholder and discover whether some people holds multi-cards. It is achieved to call the roll efficiently anytime and informatization of attendance.Keywords: RFID; RSSI; attendance; reference tag

0 引 言

考勤是加強學生管理，維護正常教學秩序，保證各項教學任務順利完成的重要環節，也是加強學生紀律、約束學生行為的一種必要手段。傳統的方法是通過教師點名掌握學生的到課信息。面對學生人數較多的課堂，這種方法不僅費時費力，而且極易出現點名前后人數相差甚遠的情況，失去了點名的意義。采用學生卡門禁系統[1]，雖然免除了教師的點名工作，但門禁系統只能記錄學生進門時間，不能動態掌握學生進入教室后的狀態，如再次離開教室等，且門禁系統并不能杜絕一人持多卡刷卡簽到的情況。本文提出一種結合RFID室內定位技術的教室考勤系統，使之既能快速完成點名，又能解決一人持多卡的問題。

1 RFID及其室內定位方法

1.1 RFID的工作原理

射頻識別 (radio frequency identification，RFID)[2]是以射頻信號為載體進行雙向通信并最終達到識別目標對象的一種識別技術。其非接觸式的識別過程使之能實現對目標對象識別的自動化。一個基本的RFID系統主要由讀寫器(reader)、天線(antennas)和電子標簽(tag)三部分構成。讀寫器通過天線發送特定頻率的射頻信號，激活無源電子標簽。標簽將自身攜帶的相關信息通過射頻信號回送給讀寫器，實現對標簽的識別。

1.2 基于RFID的室內定位方法

現行的室內定位技術主要有紅外線定位[3]、超聲波定位[4]、IEEE 802.11無線定位[5]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點，成為室內定位的主要技術之一。利用RFID標簽的惟一標識特性可以判定該標簽是否存在于規定的場所;通過讀寫器或讀寫器天線接收被識讀標簽間信號的到達時間TOA[6]、到達時間差TDOA[7]或相對接收信號強度RSSI[8]等，可以判定標簽到讀寫器的距離，由此計算出標簽的位置，實現定位。在室內定位應用中，由于標簽與讀寫器之間存在多徑效應，基于時間計算的距離精度會受到影響。本文采用的是相對接收信號強度RSSI定位方法。

根據讀寫器接收到的信號強度，可通過室內路徑損耗模型[9]計算出標簽與讀寫器之間的距離:

PL(d)=PL(d0)-10nlg(dd0)-Xσ(1)

式中:d為標簽到讀寫器天線的距離;d0為參考距離;n為環境參數，一般教室環境取值為2~4，可根據教室桌椅材料與布局通過現場測試調整;Xσ標準偏差為σ的高斯隨機噪聲變量;PL(d)是距離讀寫器天線d處的信號強度;PL(d0)是距離d0處的信號強度。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的識別距離通常能達10 m左右[10]，可以滿足一般教室的室內定位要求。

2 考勤系統的設計

2.1 系統設計

學生用校園卡設計為13.56/915 MHz雙頻卡。其中13.56 MHz用于近場讀/寫，解決校內圖書館、食堂等信息讀寫與消費;超高頻(UHF)915 MHz用于進出校門和考勤等遠距離識讀與定位。學生持卡進入教室坐定后，教師可以在上課的任意時段通過計算機進行點名，即通過RFID對學生卡進行實時識別與定位操作，確定每一位同學是否到課及具體座位。以此來實現對學生到課信息的準確掌握，并最大程度地杜絕一人持多卡的現象。

以教室的基本布局(任意兩墻面及其墻角)設定基礎坐標系，根據教室面積和讀寫器天線的有效覆蓋范圍，選定讀寫器天線個數，并安裝在易于測量和計算的位置(圖1中4個天線分別安裝在教室的四角)。通過測量待測標簽(學生卡)相對每一個天線的RSSI值，計算出標簽到全部可達天線的距離，并計算出標簽在基礎坐標系中的位置。

圖1 教室布置示意圖

利用參考標簽將教室的座位分布進行分區處理，簡化定位算法。在確定的座位區域里，以典型參考標簽建立坐標系，將座位區域劃分成若干個單位區域，使得一個單位區域正好代表一個座位。如果2個(或2個以上的)待測標簽落在同一單位區域內，則表明該座位上出現一人持多卡現象。

整個學生卡定位的計算與管理、監控以及數據處理工作由教師教學用計算機結合相應的學生后臺數據庫管理軟件完成。計算出的現場到課結果，最終用圖形方式顯示在計算機上，便于教師直觀地掌握點名信息。

2.2 算法實現

(1) 環境參數

教室座位的整體布局通常分為K個矩形區域(圖1為典型1-2-1教室結構，分為3個座位區)。在每個區域的四角上設置參考標簽RT4k-3，RT4k-2，RT4k-1，RT4k(k=1，2，…，K，下同)，參考標簽RTj  的坐標為(xj，yj)(j=1，2，…，4K) ，依據4個參考標簽的位置所確定的矩形區域Zk的寬Wk 和長Lk，有:

Wk=x4k-1-x4k-3 (2)

Lk=y4k-2-y4k-3(3)

設區域Zk中的座位行數 nk，座位列數mk，每個座位寬w，前后長l(含桌椅空間)，則:

w=Wk/mk， l=Lk/nk(4)

圖1中:讀寫器天線位于教室四周、，，，為被測標簽、為參考標簽。

在每個座位分區中，選定典型參考標簽，建立座位分區參考坐標系，并通過現場實測獲得各參考標簽對應所有可覆蓋的天線的參考信號強度值。圖1中:表示參考標簽RT1~RT12。RT1~RT4確定分區Z1，選定RT1為典型參考坐標原點(0，0)，以RT1，RT3所確定的水平方向為x軸，RT1，RT2所確定的垂直方向為y 軸建立參考坐標系。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

(2) 標簽位置的確定

在基礎坐標系中，設(x，y)為待測標簽的位置，(Xi，Yi)為第i個讀寫器天線的已知位置，則待定位標簽到第i個讀寫器的距離為:

di=(Xi-x)2+(Yi-y)2(5)

將實際測得的待測標簽相對于各天線的信號強度，通過式(1)計算后得出的距離值di，代入式(4)。取兩兩相鄰的天線方程形成二元二次方程組，求解每個方程組的合理解。如:圖2中，天線1與天線2的交點之一在A點，另一個交點應在墻面外，因此，A點為合理解。取全部解的算術平均值，即為每個標簽的最終解:

x=∑Ii=1xi/I，y=∑Ii=1yi/I (6)

判斷標簽所在的座位區域，并轉換成對應座位分區參考坐標，分別計算x/w和y/l并取整，得到標簽所在的座位列號和行號，并記錄到相應的座位數組D11，D12，D13，…，Dm(n-1)，Dmn 中。

處理完所有標簽，即可獲得所有座位的落點信息。

(3) 一座多卡的檢測

逐一檢查每個座位Dmn 內的落點個數u。如果u的取值為0或1，則正常。如果座位Dnm中u的值大于等于2，則檢查前后左右鄰區，即Dm(n-1)，Dm(n+1)、Dn(m-1)和Dn(m+1)中落點的個數，如果鄰區內落點個數小于等于座位個數，則正常(防止出現因標簽擺放姿態或位置造成的定位誤差，使其落入鄰近座位區域的情況)。否則為一人持多卡。

圖2 標簽坐標求解

2.3 軟件設計與實現

教室考勤系統軟件可采用VB或C++進行開發設計。軟件系統包括:環境初始化模塊、實時點名模塊、考勤信息查詢模塊等。

環境初始化模塊用于設置教室的基本參數，包括設置課桌椅的尺寸與間距、參考標簽的位置、座位分區等;實時點名模塊主要由4個部分組成:

(1) 標簽識讀。用于確定所在教室區域內出現的所有標簽，判別出勤名單和人數。

(2) 座位判定。將測出的待測標簽的RSSI值，通過計算求解得到實際坐標值，并轉換成相對坐標，確定其所在座位。

(3) 多卡檢測。檢查每個座位的就坐信息，記錄出現多卡的座位。

(4) 結果顯示。用不同的顏色，將實時點名的結果顯示在計算機上并自動保存(亦可導出并由教師自行保存)。如:到課名單直接用綠色顯示在對應座位上、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域外;考勤信息查詢模塊用于通過日期、學號或姓名等選項查詢當前或過往的考勤記錄。

此外，還可以根據實際需要添加其他功能模塊。本文采用Alien 9800讀寫器配4個9610圓極化天線，在由4列X5行共20個座位的單座位區域實驗，實驗結果及軟件界面如圖3所示。

圖3 實驗測試的軟件界面

3 結 語

基于RFID的技術特點，本文研究的教室考勤系統徹底摒棄了傳統的點名方法，實現了課堂點名的自動化和高效化。教師能在上課的任意時段進行點名操作，并能有效地杜絕冒名頂替等現象，對學生遲到、早退、曠課等情況起到監督作用;隨著高校招生規模的擴大，班級人數的增加，教師很難記住全部學生的姓名和相關信息。通過該系統，教師在完成點名的同時能直觀地了解到學生所在位置等相關信息，準確地選擇學生進行提問，并記錄回答問題的成績等。對教學管理起到了一定的幫助作用，使教學管理工作更加細致更加人性化。

受RFID的技術限制，持卡人的隨意放卡(如放在課桌下的書包或身后口袋中)，會使得定位精度不高或有失準確。如果要求學生把卡放在統一位置(如桌面左上角)，會得到較好的改善。隨著RFID技術的不斷完善，RFID識讀系統的可靠性的提高，該考勤系統的實用性也會相應地改善。

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