基于RFID技術(shù)的高校課堂教學(xué)管理系統(tǒng)

[摘 要] 課堂教學(xué)是高校教學(xué)管理的中心環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)情況如何直接關(guān)系到高校教學(xué)整體質(zhì)量。提高教學(xué)質(zhì)量要有好的教學(xué)理念，更需要借用現(xiàn)代信息技術(shù)來改進教學(xué)管理方法?；谝陨纤悸罚疚恼撌隽嗽跇?gòu)建校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID自動識別技術(shù)實現(xiàn)高校課堂教學(xué)的全程動態(tài)管理。

[關(guān)鍵詞] RFID技術(shù)；自動識別；課堂教學(xué)；高校

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 07. 024

[中圖分類號] TP315；G647 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）07- 0038- 03

1 引 言

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)在已在各個領(lǐng)域推動著產(chǎn)業(yè)的升級。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一項核心技術(shù)，目前在現(xiàn)代物流、智能交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的效益。我們借鑒RFID技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的成功理念，將RFID技術(shù)引入高校教學(xué)管理中，相信同樣會對高校教學(xué)管理工作起到積極的推動作用。

隨著我國高校大規(guī)模擴大招生，高校的生源質(zhì)量發(fā)生了巨大變化，應(yīng)該說學(xué)生的總體質(zhì)量大大下降，學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性差了，上課的到課率有下降趨勢，這直接影響高校的教學(xué)質(zhì)量。如果高校的領(lǐng)導(dǎo)和教學(xué)管理部門可以實時動態(tài)地了解課堂教學(xué)情況，并及時作出反應(yīng)，肯定會對教學(xué)質(zhì)量的提高起到很好的作用。因此我們可以設(shè)計一個管理系統(tǒng)來實現(xiàn)這一理念。

教學(xué)質(zhì)量的提高需要從教學(xué)管理的理念和教學(xué)管理的手段入手。應(yīng)用先進的管理手段是做好教學(xué)管理工作的基礎(chǔ)之一。RFID技術(shù)是一項信息標(biāo)識與自動獲取技術(shù)，我們借助于教師證與學(xué)生證（工作證與學(xué)生證就是RFID卡）來標(biāo)識個人的身份和相關(guān)信息，對學(xué)生上課與教師教課情況進行統(tǒng)計管理，從后臺管理系統(tǒng)中可以實時動態(tài)了解全校各班學(xué)生的到課情況、教師上課情況，通過這些信息的實時掌握，來及時分析全校師生的教學(xué)情況，從而達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。這是一項很有意義的工作。

2 無線射頻識別（RFID）技術(shù)

RFID的基本工作原理是利用空間電感耦合或者電磁耦合來進行通信，以達到自動識別被標(biāo)識物體的目的。RFID應(yīng)用系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、閱讀器、中間件、信息處理系統(tǒng)4部分組成。電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、通訊器、讀寫器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種：

（1）電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。

（2） 電磁反向散射耦合：雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律 。

電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為3～l0m.

將RFID標(biāo)簽安裝在被識別物體上（粘貼、插放、掛佩、植入等），當(dāng)被標(biāo)志物體進入無線射頻識別系統(tǒng)的閱讀范圍時，標(biāo)簽和讀寫器之間進行非接觸式信息通信，標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送攜帶信息，讀寫器接收這些信息并進行解碼，傳輸給后臺計算機處理，完成整個信息處理過程。

RFID技術(shù)具有如下特性：數(shù)據(jù)的讀寫功能；標(biāo)簽容易小型化和多樣化；耐環(huán)境性；可重復(fù)使用；穿透性強；數(shù)據(jù)的記憶容量大，與傳統(tǒng)的條形碼相比，條形碼識別物品的種類，而RFID技術(shù)確定每一個單獨的物體對象。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)可行性

課堂教學(xué)是整個高校教學(xué)工作的主體，是為國家培養(yǎng)人才的主戰(zhàn)場，教學(xué)質(zhì)量是一個高校的重中之重，因此，高校領(lǐng)導(dǎo)會高度重視用信息化技術(shù)來推動教學(xué)管理的智能化，領(lǐng)導(dǎo)的重視是技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心技術(shù)之一的RFID技術(shù)得到了空前的應(yīng)用，技術(shù)的成熟推動了行業(yè)的應(yīng)用，目前高頻RFID技術(shù)無論從技術(shù)性能還是價格等方面都有大幅改善。RFID近距離自動獲取信息技術(shù)完全能做到在課堂環(huán)境下對師生信息的非接觸式提取。采用RFID防沖撞技術(shù)可以實現(xiàn)同時多標(biāo)簽的識別與讀取，達到對教學(xué)過程的實時控制與管理。

高校一般都建立了較為完善的校園綜合性業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，教室、實驗室、辦公室等與教學(xué)相關(guān)的場所都接入了網(wǎng)絡(luò)，而且大部分高校也建立了各種無線局域網(wǎng)，各種應(yīng)用服務(wù)器配置比較齊全，這些為實現(xiàn)教學(xué)管理信息化打下了網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用基礎(chǔ)。課堂教學(xué)的智能化管理最終還是信息的處理與控制，采用RFID技術(shù)可以實現(xiàn)信息的前端自動獲取，我們借助于高校已有的應(yīng)用服務(wù)器來搭建后臺的信息服務(wù)器平臺，實現(xiàn)課堂教學(xué)動態(tài)信息的儲存與處理。另外，高校師生大多都采用了電子標(biāo)簽作為師生的身份標(biāo)識工具，電子標(biāo)簽的應(yīng)用，方便了對師生課堂教學(xué)的智能化管理。

4 系統(tǒng)設(shè)計及管理過程

4.1 總體技術(shù)方案

在高校各種教學(xué)場所如教室、實驗室和辦公室區(qū)域一般都實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，大多數(shù)高校還實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)的全面覆蓋，我們在本設(shè)計中采用無線局域網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺，為了實現(xiàn)課堂教學(xué)管理的智能化，在系統(tǒng)設(shè)計上，我們在各教學(xué)場所的入口安裝一臺帶有無線網(wǎng)絡(luò)功能的RFID閱讀器，另外也可適量配置移動式RFID閱讀器，方便各類管理人員靈活應(yīng)用?；赗FID的智能化課堂管理系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

該系統(tǒng)主要由RFID電子標(biāo)簽與RFID手持或固定式閱讀器、RFID課堂信息處理子系統(tǒng)、教學(xué)動態(tài)管理終端子系統(tǒng)、遠程教學(xué)動態(tài)查詢子系統(tǒng)、實時信息發(fā)布系統(tǒng)和教學(xué)信息處理系統(tǒng)等組成。其中教學(xué)信息處理系統(tǒng)是智能化課堂管理系統(tǒng)的核心.它對以無線方式傳遞的感知射頻標(biāo)識信息進行處理，并反饋給相應(yīng)的子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能化管理。

4.2 智能化課堂教學(xué)管理過程

智能化課堂教學(xué)管理系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)是師生個人信息的數(shù)字化標(biāo)識。利用RFID電子標(biāo)簽給師生制作個人信息及相關(guān)的教學(xué)信息。在后臺信息管理系統(tǒng)的支持下，這部分工作在師生開學(xué)報到時就能順利完成。

課堂信息的日常獲取是整個系統(tǒng)管理過程的關(guān)鍵。師生上下課在特定時間內(nèi)經(jīng)過教學(xué)場所的入口處，閱讀器從師生身上攜帶的師生卡非接觸式近距離獲取信息，通過無線局域網(wǎng)的傳輸，多種信息存儲在信息系統(tǒng)服務(wù)器上。前端閱讀器同時也具備一定的信息處理能力，能對一些特殊情節(jié)（如：忘帶學(xué)生卡、多人同時通過等）進行實時處理。

師生上下課的實時信息基本上反映了全校日常教學(xué)的一個整體情況，教學(xué)動態(tài)管理終端子系統(tǒng)用來處理這些信息，經(jīng)過對全校課堂教學(xué)動態(tài)信息的分析處理，可以通過多種手段呈現(xiàn)給教學(xué)管理人員，幫助他們及時了解師生上課情況。也可以依此分配資源協(xié)調(diào)各部門做好教學(xué)工作。當(dāng)然可以利用實時信息發(fā)布系統(tǒng)在LED大屏幕上動態(tài)發(fā)布課堂教學(xué)信息。

目前，Internet網(wǎng)絡(luò)十分普及，教學(xué)管理人員可以充分利用遠程服務(wù)功能，做到在任何地方、任何時間都可以掌握全校的教學(xué)情況，并能及時發(fā)出處理指令。

5 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

5.1 電子標(biāo)簽與閱讀器的設(shè)計

在介紹RFID工作原理時，已經(jīng)提到了RFID可以工作在4個頻段上，各個頻段的RFID系統(tǒng)都有一定應(yīng)用適應(yīng)面，針對本系統(tǒng)的設(shè)計要求，選取中心頻率為13.56MHz高頻段RFID系統(tǒng)（視情況可采用900MHz超高頻段）。高頻電子標(biāo)簽、閱讀器目前在國內(nèi)相當(dāng)成熟，應(yīng)用比較廣泛，電子標(biāo)簽可以直接選購。

RFID系統(tǒng)硬件核心是閱讀器。閱讀器控制電路采用MFRC522芯片來實現(xiàn). MFRC522是高度集成的非接觸式（13.56MHz）讀寫卡芯片，支持ISO 14443A/MIFARE卡，可實現(xiàn)與各種不同主機的接口功能，如SPI，UART及I2C等，控制電路如圖3所示。

MFRC522芯片與單片機采用SPI接口，單片機（u78F0451）作為主處理器，MFRC522 作為從處理器。單片機引腳P1.1 （SCK），P1.2（MISO），P1.3（MOSI），P4.4（NSS）與MFRC522芯片的SPI引腳相連。為了降低系統(tǒng)功耗，電路采用了分時供電的方法：只有當(dāng)檢測到有卡靠近時，控制單片機引腳P2.1輸出低電平，導(dǎo)通U7，為MFRC522芯片提供電源，其他情況下不為其提供電源。另外，該電路部分中的RF接口也通過控制單片機引腳P4.3的電平采用分時供電的方法，只有當(dāng)需要檢測是否有卡靠近時才為其提供電源，P1.4用來采樣卡的到位信號。

目前單片機的主要編程語言有C語言和匯編語言。這兩種語言在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中可以單獨編程，也可以混合編程。由于本系統(tǒng)的主控芯片u78F0451 的RAM和FLASH容量相對較小，為節(jié)省代碼空間，實現(xiàn)對資源的合理利用，在PM+開發(fā)環(huán)境下，本系統(tǒng)采用匯編語言，模塊化思想進行設(shè)計。系統(tǒng)軟件功能分為主程序模塊、卡通信模塊、電源管理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊和其他處理功能模塊5個部分，如圖4所示。系統(tǒng)的軟件程序固化在u78F0451單片機的FLASH存儲器中。

另外，在閱讀器的設(shè)計上要充分考慮高校課堂教學(xué)的實際需求，做到功能齊備、人機界面友好，目前采用嵌入式技術(shù)設(shè)計開發(fā)。

5.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

傳輸網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)，目前所有的高校都已構(gòu)建起了基于光纖的高速交換校園網(wǎng)絡(luò)，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用推廣，一般高校也構(gòu)建了基于WIFI技術(shù)的無線局域網(wǎng)。高校的信息服務(wù)系統(tǒng)在這些網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上得以實現(xiàn)。因此本系統(tǒng)設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)在各高校一般均具備。

5.3 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計

管理系統(tǒng)軟件從功能上可以劃分以下幾個模塊： RFID閱讀器信息處理模塊、教學(xué)動態(tài)管理終端模塊、遠程教學(xué)動態(tài)查詢模塊、實時信息發(fā)布模塊和教學(xué)信息處理模塊。

整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心是教學(xué)信息處理模塊。一般作為應(yīng)用分系統(tǒng)集成到學(xué)校原有的應(yīng)用系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)依情況而定，常用的可選用微軟公司的MS SQL Server 2008，開發(fā)平臺可采用C#或其他開發(fā)語言來完成。閱讀器信息處理模塊主要完成數(shù)據(jù)的讀寫、多標(biāo)簽沖突、課堂特情、人機友好界面等功能，并對信息進行適當(dāng)?shù)那捌谔幚?。教學(xué)動態(tài)終端模塊是主要的客戶端?？刹捎妹嫦?qū)ο蟮拈_發(fā)工具以B/S方式來實現(xiàn)。主要完成實時數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、報表、合并、資源調(diào)度、師生標(biāo)簽信息寫入等功能。遠程教學(xué)動態(tài)查詢模塊便于外出人員查詢之用，基本與終端模塊類似，只是增加了遠程網(wǎng)絡(luò)通信與認證功能。實時信息發(fā)布處理模塊完成大型LED屏的顯示控制。

6 結(jié)束語

射頻標(biāo)簽RFID的非接觸、多目標(biāo)同時自動讀取的特性，使其成為高校課堂教學(xué)智能化管理的一個有效手段。本文緊緊圍繞高校課堂教學(xué)管理中的相關(guān)問題，分析了RFID用于高校課堂教學(xué)管理的可行性.設(shè)計了一種基于RFID的高校課堂教學(xué)管理系統(tǒng)，并就其智能化原理進行了闡述。隨著射頻標(biāo)識 RFID技術(shù)的不斷發(fā)展完善.其應(yīng)用范圍也將不斷擴大，如何在新技術(shù)條件下，提高高校教學(xué)管理績效，擴展服務(wù)內(nèi)容，真正實現(xiàn)智能化、人性化高校教學(xué)管理，將成為下一步研究解決的重要課題。

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