基于RFID的智能化教室座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

◆楊榮 張子博

0 引言

隨著科技發(fā)展，利用傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興技術(shù)來改善學(xué)習(xí)環(huán)境、建設(shè)智能化教室成為必然趨勢(shì)，這些技術(shù)在智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理中也逐漸應(yīng)用并發(fā)揮重要作用。其中，座位占空感知技術(shù)是發(fā)展智能化教室/實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。在教學(xué)課堂中，它能夠智能統(tǒng)計(jì)學(xué)生上課出勤率，也可以為教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供輔助支撐數(shù)據(jù)，還可以應(yīng)用在學(xué)生從事自主實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)所進(jìn)行學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，輔助實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室智能化管理。

常用的教室座位占空感知技術(shù)主要有圖像識(shí)別技術(shù)、紅熱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等。基于圖像識(shí)別技術(shù)的座位占空感知系統(tǒng)主要依靠實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，并與無人情況下的圖像像素分布進(jìn)行差異對(duì)比，來判定相應(yīng)區(qū)域座位上是否有人。該系統(tǒng)設(shè)備成本低、處理速度快，但實(shí)際應(yīng)用中受限于教室內(nèi)的光線情況，可能由于光線的影響而造成一定的識(shí)別誤差?；诩t熱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的座位占空感知系統(tǒng)則依靠紅外攝像頭采集到的人體紅外信號(hào)，分區(qū)域進(jìn)行紅熱信息識(shí)別，進(jìn)而檢測(cè)人體的有無。該系統(tǒng)受到現(xiàn)場(chǎng)溫度限制較大，室內(nèi)溫度的變化為紅熱信號(hào)捕捉增加了很多干擾因素，可能使結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

基于射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）實(shí)現(xiàn)了C#環(huán)境下智能化教室座位占空感知與檢測(cè)，進(jìn)而完成教室課堂考勤系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)中布置有讀寫器和讀寫天線，并在每個(gè)座位上都布置了檢測(cè)所需的射頻電子標(biāo)簽用于接收并檢測(cè)特定信號(hào)。讀寫器將收集到的標(biāo)簽信息傳送到計(jì)算機(jī)處進(jìn)行信息處理后，在終端軟件上顯示結(jié)果。

1 基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與數(shù)據(jù)采集

RFID系統(tǒng)在座位占空感知中的應(yīng)用，基于人體會(huì)對(duì)RFID設(shè)備的通信信號(hào)造成干擾的原理實(shí)現(xiàn)。無人體干擾情況下的信息采集如圖1a所示，有人體干擾情況下的信息采集如圖1b所示，信息采集的差異體現(xiàn)在有人與無人兩種情況下讀寫器接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）不同[1]。

圖1 人體對(duì)RFID系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的示意圖

基于人體對(duì)RFID通信的這種干擾，可以進(jìn)行基于RFID的座位占空感知技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)規(guī)劃中，教室內(nèi)布置RFID讀寫器和天線，天線位于座位前方高處；教室內(nèi)分散布置射頻電子便簽，便簽位于座椅靠背上，人體在座位上會(huì)處于標(biāo)簽與讀寫天線的電磁場(chǎng)中，如圖2所示。在讀寫器與標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)，人體會(huì)對(duì)雙方通信信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)明顯的干擾[2-3]。采集到的標(biāo)簽信息由讀寫器傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，判定座位上是否有人。

圖2 設(shè)備布置方式示意圖

為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，預(yù)先進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)采集和原理驗(yàn)證。這里進(jìn)行兩組指定距離下射頻識(shí)別系統(tǒng)的接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集。第一組采集的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，采集時(shí)讀寫天線距離應(yīng)答電子標(biāo)簽4 m，二者之間無任何實(shí)物干擾，采集1 000個(gè)數(shù)據(jù)。

表1 無人情況下的RSSI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分布圖繪制，數(shù)據(jù)分布情況如圖3所示。從數(shù)據(jù)分布情況來看，采集到的數(shù)據(jù)分布比較穩(wěn)定，且大部分?jǐn)?shù)據(jù)處于64～69 dBm之間。

圖3 無人情況下的RSSI數(shù)據(jù)分布

第二組采集的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示，采集時(shí)讀寫天線距離應(yīng)答電子標(biāo)簽4 m，電子標(biāo)簽布置在一個(gè)座位的靠背上，并且有一個(gè)人端坐在座位上，采集1 000個(gè)數(shù)據(jù)。繪制的數(shù)據(jù)分布如圖4所示，大部分?jǐn)?shù)據(jù)處于47～51 dBm之間。

表2 有人情況下的RSSI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖4 有人情況下的RSSI數(shù)據(jù)分布

對(duì)采集的兩組數(shù)據(jù)分布進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)分布差異直觀地反映了兩種情況下的接收信號(hào)強(qiáng)度差異：有人情況下讀寫端依然能夠采集到標(biāo)簽的回波信號(hào)，但是接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有明顯的衰減。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可行性驗(yàn)證。

2 教室座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

基于以上數(shù)據(jù)采集結(jié)果，在教室實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行基于RFID技術(shù)的教室座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由讀寫器、應(yīng)答器與應(yīng)用處理軟件三部分組成。

圖5 基于RFID的座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用分體式四通道讀寫器，型號(hào)為AFD-8200A。該設(shè)備有四個(gè)外接TNC天線接口，支持RS232、RS485以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等多種用戶接口；工作頻段為902～928 MHz，配合8 dBi圓極化天線穩(wěn)定讀取距離為3～5 m，配合12 dBi線極化天線穩(wěn)定讀取距離8～12 m。

使用的讀寫天線型號(hào)為AFD-8600A，其穩(wěn)定讀取距離可達(dá)15 m，支持協(xié)議為ISO18000-6C或ISO-1800-6B；其工作頻段為902～928 MHz，功率為1 W，并且可由軟件調(diào)整。數(shù)據(jù)接口方面具備Wiegand263442、RS232以及RS485數(shù)據(jù)接口。天線增益為12 dBi水平極化。系統(tǒng)使用型號(hào)為AFD-501的電子標(biāo)簽，標(biāo)簽由PVC材料覆蓋；使用的芯片為Alien公司生產(chǎn)的higgs3芯片，存儲(chǔ)容量為256 B；適用載波頻率為860～960 MHz。標(biāo)簽為無源電子標(biāo)簽[4]，通過接收到的讀寫天線發(fā)射的電磁信號(hào)為自身的充放電容充電來提供發(fā)射信號(hào)所需要的能量。

RFID系統(tǒng)工作原理[5-6]如圖6所示。由于受到設(shè)備本身采集速度的限制，實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備采集標(biāo)簽信號(hào)的方式是每100 ms采集一次。

圖6 RFID系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)中，軟件部分基于廠家提供的C#語言SDK軟件開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，軟件程序內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取并完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理。在開發(fā)包中包含所需要的兩種數(shù)據(jù)：EPC號(hào)和RSSI值。這里將EPC號(hào)寫定為所代表的教室內(nèi)座位號(hào)，如標(biāo)簽布置在教室的第一排第三個(gè)座位，則EPC號(hào)就寫為0103。

2.2 數(shù)據(jù)處理

讀寫器采集的標(biāo)簽數(shù)據(jù)需交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。依據(jù)之前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段所做的工作，需要在采集到足夠的單個(gè)標(biāo)簽的回波信號(hào)強(qiáng)度值之后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)粗大誤差剔除，之后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)分布范圍的判定，進(jìn)而得到座位占空感知結(jié)果。

2.2.1 粗大誤差剔除 對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，讀寫器在采集大量信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)由于受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾而發(fā)生一定程度的擾動(dòng)，形成粗大誤差。為了確保嚴(yán)謹(jǐn)，在使用采集到的數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行粗大誤差的剔除，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定分布。常用的剔除粗大誤差的法則有拉以達(dá)法則、葛拉卜思法則、肖韋樂法則、迪珂迅法則等。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，這幾種法則有各自不同的處理偏向性，需要結(jié)合其處理特性和實(shí)際情況更好地進(jìn)行選擇。如表3所示，系統(tǒng)進(jìn)行粗大誤差剔除采用綜合判別法[7]，針對(duì)不同的測(cè)量優(yōu)先選擇相應(yīng)的法則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表3 進(jìn)行粗大誤差剔除的綜合判別法

2.2.2 數(shù)據(jù)分布范圍判定 在數(shù)據(jù)處理過程中，不但要對(duì)已采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差的剔除，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分布范圍的判定。在粗大誤差被剔除之后，對(duì)可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可直接寫出相應(yīng)程序判定最大與最小值。取出這兩個(gè)值后，函數(shù)可直接將其作為返回值，然后與提前設(shè)置好的預(yù)值進(jìn)行比對(duì)，就能進(jìn)行座位占空感知的判斷了。

如設(shè)定某標(biāo)簽的EPC號(hào)為0105，即該標(biāo)簽布置在第一排第五個(gè)座位上。通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并處理，在無人的情況下，0105的返回信號(hào)強(qiáng)度值分布在65～70 dBm之間，則65與70便是可以在程序中設(shè)定的預(yù)值。在該座位坐人后，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并處理，此時(shí)的返回信號(hào)強(qiáng)度值分布在49～54 dBm之間。通過兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出：無人與有人兩種情況下，返回信號(hào)強(qiáng)度值的分布偏移幅度相當(dāng)大。

2.2.3 多徑散射效應(yīng)驗(yàn)證 實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)人體不但對(duì)落座的座位上標(biāo)簽的返回信號(hào)有干擾，同時(shí)對(duì)臨近座位上所布置的標(biāo)簽也有一定程度的干擾，這里利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際教室內(nèi)存在的多徑散射效應(yīng)做出驗(yàn)證。

1）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和熱圖仿真。首先讓四名學(xué)生分別坐在第一排的第三及第四個(gè)座位、第二排的第三及第四個(gè)座位，進(jìn)行該環(huán)境下的接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集；然后剔除粗大誤差后將采集到的數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行熱圖仿真，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：有人落座的座位明顯下凹，而其兩側(cè)無人的座位明顯凸起。

圖7 座位有人的信號(hào)強(qiáng)度示意圖（二排，共坐四人）

2）對(duì)教室靠后位置的情況進(jìn)行驗(yàn)證。讓四名學(xué)生分別落座于第六排第六個(gè)座位、第七排第六和第八個(gè)座位、第八排第七個(gè)座位，將采集到的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行MATLAB熱圖仿真，結(jié)果如圖8所示。同樣可以看出：有人落座的座位明顯下凹，而其兩側(cè)無人的座位明顯凸起。

圖8 座位有人的信號(hào)強(qiáng)度示意圖（三排，共坐四人）

系統(tǒng)所采用的方案和數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則是：預(yù)先設(shè)定好每個(gè)座位無人時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值，之后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，低于預(yù)設(shè)值的判定為有人。根據(jù)這個(gè)判定原則，有人座位兩側(cè)信號(hào)強(qiáng)度明顯高于其在無人時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，人對(duì)臨近座位標(biāo)簽的干擾完全不會(huì)影響到系統(tǒng)對(duì)結(jié)果的判定。

3 教室座位占空感知系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試

3.1 RFID系統(tǒng)在教室的分布

在擁有230個(gè)座位的階梯教室布置教室座位占空感知系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所使用的射頻讀寫天線為水平極化、增益12 dBi、頻率902～928 MHz。將讀寫天線布置在教室中間講臺(tái)上方3.3 m高的位置上測(cè)試射頻天線的覆蓋范圍。為了進(jìn)行更直觀的描述，依據(jù)教室結(jié)構(gòu)繪制示意圖，如圖9所示，給出天線覆蓋情況的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，每一個(gè)圓點(diǎn)代表一個(gè)座位。其中實(shí)心點(diǎn)代表讀寫天線信號(hào)能夠覆蓋的部分，空心點(diǎn)為覆蓋不到的部分?？梢钥闯鲈撎炀€的實(shí)際覆蓋效果比較理想，在該教室布置三臺(tái)讀寫天線即可完成對(duì)整個(gè)教室的信號(hào)覆蓋。

圖9 單個(gè)讀寫天線能覆蓋的范圍

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖10所示，可簡單概括為：

圖10 系統(tǒng)工作流程圖

第一步，設(shè)備上電接通后，開始標(biāo)簽采集工作；

第二步，當(dāng)對(duì)某一特定標(biāo)簽采集量達(dá)到一定數(shù)量后，程序開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差剔除；

第三步，粗大誤差剔除工作完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分布范圍判定，然后與提前設(shè)定好的預(yù)值進(jìn)行對(duì)比，如果比預(yù)設(shè)值的分布產(chǎn)生明顯下降，則認(rèn)為該標(biāo)簽的返回信號(hào)受到人體的干擾，即判定為該標(biāo)簽所代表的座位是有人的。

以上情況為標(biāo)簽在能夠采集到電子標(biāo)簽返回信號(hào)的情況時(shí)的判定方式，另有一種情況是人體將身后的電子標(biāo)簽完全屏蔽，此時(shí)系統(tǒng)無法通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理來進(jìn)行分析。針對(duì)這種情況，系統(tǒng)中提供一個(gè)固定時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)被采集量。在系統(tǒng)所限定的固定時(shí)間間隔內(nèi)，提供被采集量的標(biāo)簽的被采集次數(shù)達(dá)到指定數(shù)量要求時(shí)，程序會(huì)將該數(shù)目與其他待判定標(biāo)簽的采集量進(jìn)行對(duì)比。如果某一標(biāo)簽的采集量少于標(biāo)準(zhǔn)采集量時(shí)，則認(rèn)為該標(biāo)簽在被讀取的過程中有被人體干擾的情況，不能正常讀取，即判定為標(biāo)簽所代表的座位是有人的。

系統(tǒng)開發(fā)用于交互的顯示界面，如圖11所示。

圖11 界面顯示（藍(lán)色為有人的座位）

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試以檢驗(yàn)該系統(tǒng)性能。將系統(tǒng)按照前述布置方式安裝到階梯教室中，整體系統(tǒng)布置方案示意圖如圖12所示，教室前端布置三臺(tái)讀寫天線，對(duì)教室實(shí)現(xiàn)完全的信號(hào)覆蓋，虛線部分表示覆蓋范圍。其中一個(gè)讀寫天線的安裝位置如圖13所示。將電子標(biāo)簽布置在教室中的座椅靠背上，作為系統(tǒng)的應(yīng)答器。三臺(tái)讀寫天線都連接到一臺(tái)讀寫器上，這臺(tái)讀寫器將信息發(fā)送至計(jì)算機(jī)，依靠開發(fā)的應(yīng)用軟件進(jìn)行信息處理以及結(jié)果呈現(xiàn)。

圖12 系統(tǒng)布置方案示意圖

圖13 教室中讀寫天線的位置

表4為利用布置在教室環(huán)境下的座位占空感知系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示該座位占空感知系統(tǒng)具有較高的正確識(shí)別率。其中，由于讀寫天線在遠(yuǎn)距離會(huì)有比較明顯的信號(hào)強(qiáng)度衰減，造成后排的部分標(biāo)簽有時(shí)無法被讀取到，造成一定的測(cè)試誤差。

表4 實(shí)際測(cè)試情況 單位：人

4 結(jié)束語

將RFID這一低成本、高效率的應(yīng)用技術(shù)與智能化校園建設(shè)相結(jié)合，建立基于RFID的教室座位占空感知系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行大量接收信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在的粗大誤差，引入誤差理論研究，并選擇適合于本應(yīng)用的粗大誤差剔除方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于RFID技術(shù)的座位占空感知系統(tǒng)的規(guī)劃與布置，完成C#環(huán)境下的軟件程序編寫和界面開發(fā)。系統(tǒng)在實(shí)際教室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，獲得較好的測(cè)試效果和較高準(zhǔn)確率。