基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校試卷歸檔實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

吳鳳民， 賴(lài)惠鴿， 張富臣， 鄭凱強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 機(jī)電系， 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 銀川 750021)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校試卷歸檔實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

吳鳳民1,2， 賴(lài)惠鴿2， 張富臣1， 鄭凱強(qiáng)2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 機(jī)電系， 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 銀川 750021)

為改變傳統(tǒng)高校試卷歸檔過(guò)程中檔案員工作繁重及后續(xù)檢查、查詢(xún)過(guò)程中查找困難的現(xiàn)狀。針對(duì)高校試卷數(shù)量大、包含信息量廣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和RFID技術(shù)的高校試卷歸檔實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)。在對(duì)系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，提出總體設(shè)計(jì)方案，給出其中關(guān)鍵技術(shù)方案，最后用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)射頻標(biāo)簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的無(wú)線通訊和數(shù)據(jù)傳輸。初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)試卷的歸檔與定位，從根本上改變了試卷歸檔、查找等環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)人工干預(yù)工作模式，對(duì)提高高校試卷及其他檔案歸檔具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)線射頻識(shí)別； 試卷歸檔; 通信； 電子標(biāo)簽； 管理系統(tǒng)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)紙化辦公已經(jīng)被越來(lái)越多的單位和高校提上日程，但是，目前以至將來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，紙質(zhì)文獻(xiàn)的管理(高校的試卷管理)仍然是檔案運(yùn)行管理的中心任務(wù)。目前高校普遍使用的試卷管理辦法仍然是以人工干預(yù)為主的傳統(tǒng)管理方法，由于高校試卷數(shù)量大、包含信息量廣，試卷歸檔過(guò)程中檔案員工作特別繁重且容易出錯(cuò)，并且后續(xù)檢查、查詢(xún)過(guò)程中查找困難。試卷的智能管理系統(tǒng)可以很好地解決上述問(wèn)題，是今后精細(xì)化、自動(dòng)化管理的必然趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)試卷管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有試卷與管理中心的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)試卷(以袋為單位)的自動(dòng)定位，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)是基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的智能試卷管理系統(tǒng)。

1 智能試卷管理系統(tǒng)需求分析

1.1 智能試卷管理系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，智能試卷管理系統(tǒng)由三層子網(wǎng)絡(luò)組成[1]:分別是試卷管理網(wǎng)絡(luò)層、檔案室網(wǎng)絡(luò)層和試卷實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層。這樣的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著試卷歸檔的實(shí)際物理過(guò)程與物理結(jié)構(gòu)。試卷實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層即在每個(gè)試卷帶上裝有射頻識(shí)別標(biāo)簽，記錄著該試卷袋的ID 號(hào)和當(dāng)前位置信息，試卷檔案網(wǎng)絡(luò)層是由一組射頻識(shí)別器(閱讀器)及其他附件組成，試卷管理網(wǎng)絡(luò)層形成試卷動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)具有本層網(wǎng)絡(luò)通信主站的功能，它與試卷實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層之間通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)連接，與試卷管理網(wǎng)絡(luò)層以總線方式連接。

圖1 智能試卷管理系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)

1.2 智能試卷管理系統(tǒng)功能需求

根據(jù)以上對(duì)智能試卷管理系統(tǒng)的描述，其應(yīng)具有如下功能：

(1) 試卷袋定位功能。智能試卷管理系統(tǒng)的主要功能之一是試卷袋定位，即確定檔案室每個(gè)試卷袋的位置信息，以便后續(xù)督導(dǎo)檢查或查閱時(shí)能夠準(zhǔn)確查找。檔案室試卷存放一般采用架構(gòu)分層形式，架上位置信息指試卷袋所在的架面和面中的層。試卷袋的自動(dòng)定位依靠RFID 技術(shù)完成。

(2) 試卷袋信息采集功能。試卷袋包含學(xué)院、系別、專(zhuān)業(yè)、班級(jí)、教師、考場(chǎng)記錄、成績(jī)、答題卷及架上位置等大量信息，并且存在唯一性，通過(guò)RFID標(biāo)簽寫(xiě)入試卷袋相關(guān)信息。

(3) 通信功能。試卷實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層試卷袋標(biāo)簽在收到檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)的數(shù)據(jù)召喚命令時(shí)，將架上試卷袋ID 號(hào)及位置信息發(fā)送至檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機(jī)。

(4) 人機(jī)界面功能。智能試卷管理系統(tǒng)應(yīng)具有必要、簡(jiǎn)單的人機(jī)界面功能[1-5]，如顯示試卷袋編號(hào)、存放信息等。

(5) 工作可靠性和使用壽命。智能試卷管理系統(tǒng)的軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能夠保證其連續(xù)正常工作，為此，應(yīng)周密考慮其機(jī)械結(jié)構(gòu)、功耗、散熱、軟硬件抗干擾、故障或異常、自恢復(fù)等方面的設(shè)計(jì)。使用壽命主要取決于元器件及部件的選擇。

(6) 其他需求。環(huán)境適應(yīng)性，復(fù)雜度與成本，可維護(hù)性，繼承性與技術(shù)升級(jí)，結(jié)構(gòu)化和通用化。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述通用結(jié)構(gòu)和功能需求，綜合考慮其他各方面因素，可確定智能試卷管理系統(tǒng)的總體方案見(jiàn)圖2。方案中體現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖2 智能試卷管理系統(tǒng)總體方案

試卷架的每層都設(shè)有貼片天線，各天線以多路射頻開(kāi)關(guān)與射頻識(shí)別卡相連接。射頻識(shí)別卡讀取架上試卷袋標(biāo)簽信息時(shí)，以層為基本單位。射頻控制器采用單片機(jī)控制系統(tǒng)[6-8]。圖2中相關(guān)部分的連接關(guān)系體現(xiàn)了軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。智能試卷管理系統(tǒng)的人機(jī)界面只需顯示試卷袋相關(guān)信息，可采用小型液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中，每一上層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)也可以連接、控制多個(gè)試卷架，視具體情況而定。這時(shí)，只需增加射頻多路開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)路數(shù)，并且在軟件設(shè)計(jì)中考慮系統(tǒng)的可配置性，以滿(mǎn)足通用化要求[9-11]。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 RFID技術(shù)方案選擇

電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼(產(chǎn)品電子EPC碼)，附著在試卷袋上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，可以存入大量信息；分為有源和無(wú)源兩種，有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠(yuǎn)，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作；無(wú)源卡內(nèi)無(wú)電池，它將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離近，但其壽命長(zhǎng)且對(duì)工作環(huán)境要求不高。從成本和應(yīng)用要求考慮，試卷袋等電子標(biāo)簽應(yīng)選擇無(wú)源的方案。從工作頻率來(lái)看，可以分為低(125～135 kHz),高頻(1～400 MHz)，超高頻,微波(2.45 GHz,5.8 GHz)等幾大類(lèi)，一般場(chǎng)合用低頻和高頻，低頻的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其標(biāo)簽靠近金屬或液體的物品上時(shí)標(biāo)簽受到的影響較小，同時(shí)低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是讀取距離短、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多標(biāo)簽讀取(抗沖突)，因此該智能試卷管理系統(tǒng)選擇超高頻2.4 GHz的ISM頻段，和低頻相較，其傳輸速度較快，在100 kb/s以上，通常用于傳送大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)[1]，且可進(jìn)行多標(biāo)簽辨識(shí)(試卷管理)。該頻段的系統(tǒng)也比較成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格較低。

3.2 無(wú)線貼片天線

選用RFID 技術(shù)方案,頻率采用超高頻段，這個(gè)頻段的貼片天線設(shè)計(jì)相對(duì)比較成熟，選用平面單級(jí)天線，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，在損耗和厚度都較小的介質(zhì)襯底兩側(cè)，敷設(shè)金屬接地板和金屬貼片，其剖面薄，體積小，重量輕，制造成本低[9]。

圖3 平面單級(jí)天線的基本結(jié)構(gòu)

平面單級(jí)天線的尺寸主要由其低頻段決定，對(duì)于規(guī)則形狀輻射貼片的平面單級(jí)天線駐波比到達(dá)2級(jí),所對(duì)應(yīng)的低頻點(diǎn)可以用圓柱體近似法進(jìn)行估計(jì)[5],即

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得到：

(3)

則天線工作的低頻點(diǎn)為：

(4)

FL的單位為GHz，L、r的單位為mm。考慮饋入間隙g的影響，式(4)修正為：

(5)

本設(shè)計(jì)中所采用的貼片天線規(guī)格尺寸為： 24.15 mm(L)×5 mm(W)×1.5 mm(T)，內(nèi)置天線2.4 GHz。

3.3 多路射頻開(kāi)關(guān)

本設(shè)計(jì)中須使用多對(duì)一的多路射頻開(kāi)關(guān)，即連接多個(gè)貼片天線的多條引線，其中一條引線與公共引線端(連接RFID閱讀器)相連接。這種多路射頻開(kāi)關(guān)可在單刀雙擲開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合，并附加適當(dāng)?shù)目刂齐娐穼?shí)現(xiàn)。

3.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，智能試卷管理系統(tǒng)的射頻控制器包括單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)可選用較通用的機(jī)型，如：AT89C51。單片機(jī)上的串行通信口配以RS232接口芯片。其主要功能應(yīng)該滿(mǎn)足：

(1) 單片機(jī)主程序要能夠靈活調(diào)用標(biāo)簽讀寫(xiě)子程序，閱讀器閱讀控制子程序，并且要能夠和主機(jī)進(jìn)行靈活通信，將采集的檔案室試卷袋相關(guān)信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)较鄳?yīng)主機(jī)形成試卷信息數(shù)據(jù)庫(kù)[12-15]。

(2) 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)接收到管理中心主機(jī)的查詢(xún)指令時(shí)，要能夠循環(huán)輸出多路射頻開(kāi)關(guān)控制字、循環(huán)讀取閱讀器信息以獲得檔案室架上試卷袋相關(guān)信息，尤其是位置信息。

4 LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)

主要實(shí)現(xiàn)射頻標(biāo)簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸。上層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)(上位機(jī))通過(guò)搜索并連接欲訪問(wèn)的下位機(jī)(射頻標(biāo)簽)的IP地址及端口，實(shí)現(xiàn)與該下位機(jī)的基于TCP協(xié)議的無(wú)線通信。

4.1 程序流程設(shè)計(jì)

整個(gè)程序采用“事件觸發(fā)”的方式來(lái)編寫(xiě)。當(dāng)上位機(jī)處于任意下位機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)搜索查找下位機(jī)IP(下位機(jī)通過(guò)TCP.Listen.vi幀聽(tīng))并與之建立連接，同時(shí)運(yùn)行上位機(jī)程序， 如果通信網(wǎng)絡(luò)連接成功，程序則向下位機(jī)循環(huán)發(fā)送指令。其程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

4.2 程序流程LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)

射頻標(biāo)簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的無(wú)線通信功能主要通過(guò)LabVIEW中自帶的TCP函數(shù)和VI來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行LabVIEW2014，新建一個(gè)VI，在程序框圖中添加一個(gè)“打開(kāi)TCP連接”函數(shù)，并對(duì)IP地址、遠(yuǎn)程端口、ID、輸入輸出等接線端子進(jìn)行定義。此處的IP和遠(yuǎn)程端口號(hào)(用戶(hù)指定)與欲連接的下位機(jī)所配置的端口號(hào)相一致，程序通過(guò)此通道與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[16-17]。

“開(kāi)始”事件未發(fā)生時(shí)，此時(shí)下位機(jī)處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)“開(kāi)始”事件觸發(fā)后，程序則循環(huán)向下位機(jī)發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)的字符串，前4個(gè)字節(jié)是“open”打開(kāi)指令，后4個(gè)字節(jié)是代表下位機(jī)向上位機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)包容量值的數(shù)字字符串，此后下位機(jī)將根據(jù)這個(gè)參數(shù)向上位機(jī)發(fā)送規(guī)定大小的數(shù)據(jù)包。程序循環(huán)通過(guò)“讀取TCP 數(shù)據(jù)”函數(shù)從下位機(jī)讀取信息，當(dāng)“開(kāi)始”事件被停止后，程序重新發(fā)送關(guān)斷指令，下位機(jī)自此進(jìn)入休眠狀態(tài)。

下位機(jī)供電后，將一直處于低功耗休眠狀態(tài)，并循環(huán)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)的控制指令。當(dāng)收到上位機(jī)的打開(kāi)指令后，下位機(jī)則根據(jù)指令內(nèi)容對(duì)程序進(jìn)行初始化配置，設(shè)置波特率及數(shù)據(jù)包容量等參數(shù)，配置完成后下位機(jī)開(kāi)始工作，數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中程序依然持續(xù)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)的指令，若收到關(guān)斷指令，則單片機(jī)(射頻控制器)控制整個(gè)下位機(jī)進(jìn)入休眠模式。下位機(jī)程序流程見(jiàn)圖5。

圖5 下位機(jī)程序

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以物聯(lián)網(wǎng)智能試卷管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、通用化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用RFID 技術(shù)，首先進(jìn)行需求分析，在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)一步探討了其中關(guān)鍵技術(shù)方案。最后用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)，在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)了持續(xù)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，初步試驗(yàn)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性，所實(shí)現(xiàn)功能及性能指標(biāo)滿(mǎn)足實(shí)用化要求。為高校試卷的智能化管理提供了初步的模型，為其進(jìn)一步的發(fā)展與完善提供了雛形與基礎(chǔ)。

[1] 張郁松,杜景林.基于超高頻RFID的圖書(shū)館智能書(shū)架方案研究與設(shè)計(jì)[J].圖書(shū)館雜志,2014(12):87-93.

[2] 張立新,杜 剛.物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2015,14(2):16-17.

[3] 沈蘇彬,楊 震.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其標(biāo)準(zhǔn)化[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(1):1-17.

[4] Sergey Efremov*, Nikolay Pilipenko, Leonid Voskov.An Integrated Approach to Common Problems in the Internet of Things[J].Procedia Engineering,2015(8):1215-1223.

[5] 張海營(yíng).基于物聯(lián)網(wǎng)的圖書(shū)館館藏推薦服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建[J].圖書(shū)館雜志,2013(12):33-35.

[6] 劉秀峰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的圖書(shū)管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2015(5):54-55.

[7] 蔣東銘,陳新宇.基于CMOS SOI工藝的射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2014,34(2):142-144.

[8] 張光輝,石 玉.基于PIN管的多路大功率寬帶高線性射頻開(kāi)關(guān)的研制[J].電子元件與材料,2012,31(11):59-61.

[9] 白 冰,牛中奇.用于無(wú)線通信的新型寬帶旋轉(zhuǎn)貼片天線設(shè)計(jì)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,42(3):193-196.

[10] 郭蓉曹,祥 玉.一種新型寬帶定向性貼片天線設(shè)計(jì)[J].物理學(xué)報(bào),2014,63(24):3-6.

[11] 周喜權(quán).一種新型超寬帶雙陷波平面單極子貼片天線設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2013，53(10):1362-1365.

[12] 張郁松.圖書(shū)管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J]. 圖書(shū)館學(xué)刊, 2012(12):119-121.

[13] 劉延吉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 價(jià)值工程,2013(22):226-227.

[14] 張志軍,徐小力.基于LabVIEW和WiFi技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,40(3):367-370.

[15] Hamoud M. Aldosari.A Proposed Security Layer for the Internet of Things Communication Reference Model[J].computer science,2015(1):96-98.

[16] 劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2003．

[17] 白 云.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

Colleges and Universities Examination Paper Archiving Testing Management System Based on Internet of Things

WUFeng-min1,2,LAIHui-ge2,ZHANGFu-cheng1,ZHENGKai-qiang2

(1. Mechanical and electrical department, Yinchuan College of China University of Mining, Yinchuan 750021, China； 2. Ningxia University Mechanical College， Yinchuan 750021, China)

In order to change the present situation of the hard work of exam-paper archivists, and also solve the problem of difficultly finding papers in the checking and querying process, this paper designed a college paper archiving testing management system based on LabVIEW and RFID. Firstly, system requirements analysis were conducted, the overall design scheme was then put forward, and the key technologies in implementing scheme were analyzed, finally the wireless communication and data transmission between REID label and the top web host were designed by LabVIEW software. A preliminary test showed that this design could achieve the functions of examination papers filing and positioning， it fundamentally changed the traditional working mode, and also has important theoretical and realistic significance to improve the college examination paper archiving.

radio frequency identification technology(RFID)； examination paper archiving; communication； electronic tag； management system

2016-04-18

吳鳳民(1984-)，女，甘肅白銀人，助教，碩士生在讀，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、物聯(lián)網(wǎng)和信息工程及其控制理論的教學(xué)和研究工作。Tel.:15909586180;E-mail:603054928qq.com

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0246-04