基于WIFI定位的電子學生證的研制

基于WIFI定位的電子學生證的研制

吳巧

(安徽師范大學安徽蕪湖241000)

摘要：針對當今學生安全熱點問題，提出一種基于WIFI定位的電子學生證的研制方案。給出基于WIFI無線定位電子學生證管理系統的整體架構與通信過程，該電子學生證基于無線局域網，多層次式結構，集多種工作模式于一體，實現對學生的實時管理、跟蹤，提高了學校或監護人的管理監控水平。

關鍵詞：電子學生證；WIFI；管理監控水平；

中圖分類號：TN926+.24文獻標識碼：B

收稿日期：2014-10-11

作者簡介：吳巧(1991-)，女，安徽師范大學物理與電子信息學院。

近年來各學校經常有學生遭校外不明人士侵害及意外失蹤等案件，諸多事故的一再發生更加提醒人們校園安全防護的重要性。唯有加強校園管理，確保學生的生活和學習安全，才能讓學生監護人安心、校方進行正常教學，這是建立學生良好學習環境的重要前提和提升整體安全的重中之重。電子學生證結合學校安防可有效提升校園的整體管理效力和安全質量。每一電子學生證具有唯一的EPC(Electronic Product Code)號，學生通過校門時自動進行身份識別，準確記錄學生的進、出校時間，杜絕教學無關人員進入學校，避免各種危險事件的發生，確保學校教育安全有序進行。利用WIFI定位技術智能化的管理學生是一種較為新穎的理念，是科學技術發展管理創新的一種新模式[1,2]，以互聯網、物聯網為媒介，運用WIFI無線通信、無線定位、自動控制和多媒體監控等多種技術，實現了學生證管理的高度自動化和智能化，將學生管理、家庭監護、社會安防整合在一起，使校方、學生及學生監護人形成多種形式的信息交互。本文基于無線WIFI網絡，研究和設計一種基于WIFI定位的電子學生證，為實現校園出入管理、學校安防監控、教務管理、智能考勤等的高度信息化提供一種可行方案。

1整體架構

本網絡系統可分為定位應用層、網絡層和終端設備層三個層次,如圖1所示。

(1)定位應用層：安裝有定位服務器軟件，主要用于請求命令的接收及響應和定位數據分析處理。應用程序接收并分析定位請求原命令，再處理成目標定位命令，該層次與經驗數據庫相連，數據庫表包括熱點定位表、采樣信息表、濾波處理后的信息表、定位信息表等，應用程序結合經驗數據庫按相關算法分析計算出現場定位目標的位置。

(2)網絡層：連接定位應用層和終端設備的通信設施，包括網絡控制器、數據交換處理節點、通信線路及信息采集設備等。AP(Access Point)采用2.4GHz頻段，支持802.11b/g模式，在控制范圍內采集電子學生證或腕帶標簽的信息，傳輸到后端的服務器管理中心。

(3)終端設備層：客戶端與服務端之間，能以人機交互或會話方式進行數據交換，并經通信設施或網絡向服務端輸入數據或接收計算機輸出處理位置信息的設備。通常，終端設備設置在能利用網絡與遠處服務器聯接的方便場所，由通信接口控制裝置和輸入輸出裝置組合而成。手持移動終端或電子學生證作為無線數據采集模塊隨人身移動，WIFI設備通過對校內學生證的監測實現對學生的跟蹤定位，以人機交互作用或會話方式顯示在移動客戶端或PC端。

2軟件設計

2.1　客戶端與服務端具體通信過程

每個電子學生證中的WIFI標簽包含攜帶用戶的個人詳細信息，熱點AP可監測一定范圍內電子學生證，經交換機將學生證中的個人信息傳送至服務器機組，考慮數據吞吐量和負載均衡問題，服務器機組分為請求響應服務器和定位服務器，高性能定位服務器分析計算出學生證的位置數據后存入數據庫，匯集各種數據到信息中心機房；當需要對學生定位時，客戶終端發送定位信息，服務端軟件結合經驗數據庫分析處理以及經網絡設施傳送學生證位置信息到客戶終端。

電子學生證客戶端與服務端具體通信過程如圖2所示，熱點AP分布在學校的各樓層教室、校門口、校園等關鍵場所，位置固定不變，并向周圍發射檢測信號用于檢測控制范圍內是否存在電子學生證，學生證中包含唯一的EPC號。該系統工作時，客戶移動終端和定位服務端連接Internet，采用標準的HTTP通信協議，預留額外的擴展空間，便于后期開發。該系統支持主動和被動定位方式，主動工作模式下，響應服務器采集程序通過AP偵測附近周圍所有學生證EPC號和對應的RSSI(Received Signal Strength Indication)，處理并編碼成命令數據(DATA_CMD)，傳送到定位服務器，其中命令數據(DATA_CMD)中包含學生證EPC號、RSSI特征向量、A、B、C標志位、Star和OD起止標志字節等信息。定位服務器接收數據命令(DATA_CMD)，解碼并結合經驗數據庫查詢每個AP的坐標，更新定位標簽的位置信息，運用相關的定位運算操作得到電子學生證位置估計位置命令(DATA_POS)，位置命令經響應服務器處理得到位置信息(MESS_POS)通過外部網絡，發送到客戶終端并顯示，如圖3所示。被動工作模式下，客戶終端先發送定位請求(POS_Require)，然后響應服務器按指令采集并篩選待定位學生證EPC號，同理，通過整個定位過程獲得待定位的學生證位置信息，如圖4所示。

2.2　客戶端

本系統客戶端主要是移動手持終端。首先，Android系統手機占據市場主流，軟件資源豐富，具有良好的開發性，代碼開源性降低開發周期，且近些年Android系統手機在市場上占有率不斷提高，所以移動手機終端采用基于Linux 平臺的開源Android語言進行開發，其良好的開放性和豐富的API 接口，可以很方便地與已有網絡通信和開發各種應用程序。手機移動終端Android 應用程序[3]包含多個不同的組件，組件之間可進行信息交互，基本組件主要包括 Activity、Service、BroadcastReceiver和 ContentProvider，及負責傳遞消息的Intent 組件，如圖5所示。所有組件都應在應用程序工程的AndroidManifest.xml 文件中聲明。AndroidManifest.xml 文件負責將整個Android 應用程序Activity、Service 等組件有機的組合。在應用中，一個 activity通常是一個單獨的屏幕，即供用戶操作的可視化界面。Service 是一段具有較長生命周期的程序，啟動后一般一直處于運行狀態，是運行在系統的后臺進程，用來提供后臺服務或數據處理。BroadcastReceiver 用于接收廣播通知，并作出相應處理。ContentProvider 可為其他應用程序提供一些特定的程序數據。數據的存儲方式多樣，可以是 Android 文件系統或 SQLite 數據庫，也可以是適合其他系統開發特定格式。

2.3　服務端

服務端[4-6]由服務器機組構成，服務器機組包括命令響應服務器和定位服務器；響應服務器是指駐留于因特網上某種類型服務計算機程序，主要用于對外通信，接收外界的請求，通過AP直接對電子學生證搜尋，經定位服務器數據處理后返回給客戶端相應的位置信息；定位服務器是定位服務器機組的核心，承載著命令接收和大量數據的分析計算，定位服務器接收到響應服務器的處理命令后，創建一個新工作任務，保證數據的及時處理，定位服務器工作時需使用LBS(Location Based Services)指紋數據庫[7,8]中的數據進行計算，主要涉及到數據的讀寫、存儲，分析處理后將結果返回到響應服務器端，如圖6所示。本服務端應用程序采用C#語言，以VS2010和SQL2008為平臺進行開發，C#是一種簡單、類型安全、面向對象的語言，支持Internet可編程結構。C#是.net的代表語言。編程便捷，提供標準數據庫API接口，很好解決分布式問題。.net平臺提供類型安全檢查機制，代碼方便移植。開發過程中通過ADO(ActiveX Data Objects)方式進行訪問數據庫，操作靈活，恢復管理性能好，可大大降低網絡開銷，避免死鎖，實現異構平臺間的互通。

3樣機調試結果

通過樣機調試基于WIFI定位的電子學生證具有良好的實用性和擴展性，WIFI智能終端產品已在生活中得到廣泛的普及，且國內各大運營商和公司乃至部分家庭均已安裝大量的熱點，尤其是在各大城市學校等教育機構，通過現有的WIFI設施，可顯著降低初期投資成本，實現預定目標，向網絡化、智能化的方向發展，為電子學生證管理系統研究和推動LBS應用提供最佳的基礎條件和保證。經調試，所研制的電子學生證樣機達到以下效果：

(1)防破壞，自動報警。防破壞設計電子標簽內置導電回路，有效防止破壞，電子學生證一旦折斷，系統立即報警。

(2)EPC-MAC唯一，保密性能好。每個電子學生證具有唯一的EPC號，不會重復導致混亂。存儲攜卡人信息，增加獨特算法密鑰，避免因卡片丟失信息泄露。

(3)和校園一卡通服務結合，現金管理使用。實施校園“一卡通”，有效解決卡、證、票據數目繁多，手續復雜不便等問題，可在學生證中加入個人身份認證信息，不僅可作為現金卡供支付用，也可作為證件進行身份識便于進行統一管理。

(4)一鍵定位信息顯示。家長需要定位電子學生證具體位置時，通過手機、web查看學生所在位置并由手機進行移動導航。

(5)歷史跟蹤。通過記錄電子標簽的位置，實現對跟蹤目標的活動位置路線回放，輕松實現對目標行蹤的實時控制。

(6)多方式定位。支持主動和被動定位方式，校門口安裝無線AP，學生進出校門，采集到電子學生證信息便向家長和服務器發送短信進行提醒。用戶也可通過移動客戶終端發送命令查詢當前電子學生證位置信息。

(7)兼容性強。兼容各種智能化終端設備，如智能手機、Pad、筆記本、臺式電腦等都可以接入，提供不同環境操作系統客戶端軟件，方便用戶使用。

(8)超低輻射綠色環保設計。電子學生證內置電源管理模塊，無外部觸發條件下，大部分功能自動進入休眠，降低能源消耗，減少對人體的電磁輻射。

4結語

本文研制的基于WIFI定位的電子學生證是一種利用現代網絡通信技術實現校方管理和家長及時了解學生動向的教育平臺，極大地提高了學校、學生及學生家長間的信息溝通能力。無線WIFI技術的使用節省了通信線路的連接、鋪設工時，降低了建設周期。本文提出的一種電子學生證研究方案，不僅可用于學生定位和校園安防，還可應用用于社區安全監控，倉儲物料管理，地下礦山探測等領域，靈活的構建層次使其具有更廣闊的應用前景和發展空間。

參 考 文 獻

[1]Paramvir Bahl and Venkata N. Padmanabhan. RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System. IEEE infocom,774-784,2000

[2]Kamol Kaemarungsi. Design of Indoor Positioning Systems Based on Location Fingerprinting Technique. Doctor’s Thesis.School of Information Science.University of Pittsburgh. 2005.

[3]雷地球,羅海勇,劉曉明.一種基于WIFI的室內定位系統設計與實現[J]. 中國科學院計算技術研究所,2010:2-4.

[4]雷家毅.Android基于WIFI的定位算法及系統設計[D].上海:華東理工大學,2013:41-45.

[5]金厚兵.基于WIFI定位的倉儲物料管理系統研制[J].計算機工程應用技術,2013,9(7):1661-1664.

[6]馬智亮,張東東,青舟.基于移動終端和既有信息系統的地鐵工程施工現場物流管理系統[J].施工技術,2012,41(371):5-9.

[7]張利,周峰.基于WIFI定位系統的設計與實現[D],北京:北京郵電大學,2009:30-43.

[8]周薇,孫艷豐.一種高效的指紋庫構建方法及其在WIFI定位中的應用[D],北京：北京工業大學,2013:21-25.

Design a Kind of Electronic Student ID Based on WIFI

WU Qiao

Abstract：A kind of electronic student ID card is designed for safety of students. This problem is a hot spot issue nowadays. The paper introduces the overall architecture and the communication process of a electronic student management system based on WIFI. The Multi layer electronic card is based on wireless local area network (LAN), integrating multiple modes of operations. The experiments show the system achieved the real time management, tracking, and improve the management level of school or monitoring of guarder.

Key words：electronic student ID card; WIFI; management level.