◆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，這些技術(shù)在智能實驗室建設(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/實驗室的重要組成部分。在教學(xué)課堂中，它能夠智能統(tǒng)計學(xué)生上課出勤率，也可以為教學(xué)質(zhì)量評價提供輔助支撐數(shù)據(jù)，還可以應(yīng)用在學(xué)生從事自主實踐活動的實驗室場所進行學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)計，輔助實現(xiàn)實驗室智能化管理。

常用的教室座位占空感知技術(shù)主要有圖像識別技術(shù)、紅熱信號檢測技術(shù)等?；趫D像識別技術(shù)的座位占空感知系統(tǒng)主要依靠實時采集現(xiàn)場圖像，并與無人情況下的圖像像素分布進行差異對比，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別誤差。基于紅熱信號檢測技術(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，分區(qū)域進行紅熱信息識別，進而檢測人體的有無。該系統(tǒng)受到現(xiàn)場溫度限制較大，室內(nèi)溫度的變化為紅熱信號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。

基于射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）實現(xiàn)了C#環(huán)境下智能化教室座位占空感知與檢測，進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，并在每個座位上都布置了檢測所需的射頻電子標(biāo)簽用于接收并檢測特定信號。讀寫器將收集到的標(biāo)簽信息傳送到計算機處進行信息處理后，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，基于人體會對RFID設(shè)備的通信信號造成干擾的原理實現(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強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）不同[1]。

圖1 人體對RFID系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的示意圖

基于人體對RFID通信的這種干擾，可以進行基于RFID的座位占空感知技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計。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，人體在座位上會處于標(biāo)簽與讀寫天線的電磁場中，如圖2所示。在讀寫器與標(biāo)簽進行通信時，人體會對雙方通信信號產(chǎn)生一個相當(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算機進行信息處理，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)計的可行性，預(yù)先進行實際數(shù)據(jù)采集和原理驗證。這里進行兩組指定距離下射頻識別系統(tǒng)的接收信號強度數(shù)據(jù)采集。第一組采集的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，采集時讀寫天線距離應(yīng)答電子標(biāo)簽4 m，二者之間無任何實物干擾，采集1 000個數(shù)據(jù)。

表1 無人情況下的RSSI數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用采集到的數(shù)據(jù)進行數(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)簽布置在一個座位的靠背上，并且有一個人端坐在座位上，采集1 000個數(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

圖4 有人情況下的RSSI數(shù)據(jù)分布

對采集的兩組數(shù)據(jù)分布進行對比，數(shù)據(jù)分布差異直觀地反映了兩種情況下的接收信號強度差異：有人情況下讀寫端依然能夠采集到標(biāo)簽的回波信號，但是接收信號強度會有明顯的衰減。實驗數(shù)據(jù)的采集為系統(tǒng)設(shè)計提供了可行性驗證。

2 教室座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

基于以上數(shù)據(jù)采集結(jié)果，在教室實際環(huán)境中進行基于RFID技術(shù)的教室座位占空感知系統(tǒng)設(shè)計，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

系統(tǒng)使用分體式四通道讀寫器，型號為AFD-8200A。該設(shè)備有四個外接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為AFD-8600A，其穩(wěn)定讀取距離可達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)射的電磁信號為自身的充放電容充電來提供發(fā)射信號所需要的能量。

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，實際應(yīng)用中設(shè)備采集標(biāo)簽信號的方式是每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)包進行開發(fā)，軟件程序內(nèi)進行數(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號和RSSI值。這里將EPC號寫定為所代表的教室內(nèi)座位號，如標(biāo)簽布置在教室的第一排第三個座位，則EPC號就寫為0103。

2.2 數(shù)據(jù)處理

讀寫器采集的標(biāo)簽數(shù)據(jù)需交由計算機進行數(shù)據(jù)處理。依據(jù)之前實驗驗證階段所做的工作，需要在采集到足夠的單個標(biāo)簽的回波信號強度值之后，首先進行數(shù)據(jù)粗大誤差剔除，之后才能進行數(shù)據(jù)分布范圍的判定，進而得到座位占空感知結(jié)果。

2.2.1 粗大誤差剔除 對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中，讀寫器在采集大量信號強度數(shù)據(jù)時，部分?jǐn)?shù)據(jù)會由于受到現(xiàn)場環(huán)境干擾而發(fā)生一定程度的擾動，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法則、葛拉卜思法則、肖韋樂法則、迪珂迅法則等。在進行數(shù)據(jù)處理時，這幾種法則有各自不同的處理偏向性，需要結(jié)合其處理特性和實際情況更好地進行選擇。如表3所示，系統(tǒng)進行粗大誤差剔除采用綜合判別法[7]，針對不同的測量優(yōu)先選擇相應(yīng)的法則進行數(shù)據(jù)處理。

表3 進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，不但要對已采集到的數(shù)據(jù)進行粗大誤差的剔除，還需要進行數(shù)據(jù)分布范圍的判定。在粗大誤差被剔除之后，對可靠數(shù)據(jù)進行比較，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)值進行比對，就能進行座位占空感知的判斷了。

如設(shè)定某標(biāo)簽的EPC號為0105，即該標(biāo)簽布置在第一排第五個座位上。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并處理，在無人的情況下，0105的返回信號強度值分布在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，再次進行數(shù)據(jù)采集并處理，此時的返回信號強度值分布在49～54 dBm之間。通過兩組數(shù)據(jù)的對比可以看出：無人與有人兩種情況下，返回信號強度值的分布偏移幅度相當(dāng)大。

2.2.3 多徑散射效應(yīng)驗證 實測時發(fā)現(xiàn)人體不但對落座的座位上標(biāo)簽的返回信號有干擾，同時對臨近座位上所布置的標(biāo)簽也有一定程度的干擾，這里利用仿真實驗對實際教室內(nèi)存在的多徑散射效應(yīng)做出驗證。

1）進行數(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座位、第二排的第三及第四個座位，進行該環(huán)境下的接收信號強度數(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 座位有人的信號強度示意圖（二排，共坐四人）

2）對教室靠后位置的情況進行驗證。讓四名學(xué)生分別落座于第六排第六個座位、第七排第六和第八個座位、第八排第七個座位，將采集到的數(shù)據(jù)再次進行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 座位有人的信號強度示意圖（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)定好每個座位無人時的信號強度值，之后將實測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進行對比，低于預(yù)設(shè)值的判定為有人。根據(jù)這個判定原則，有人座位兩側(cè)信號強度明顯高于其在無人時的信號強度，人對臨近座位標(biāo)簽的干擾完全不會影響到系統(tǒng)對結(jié)果的判定。

3 教室座位占空感知系統(tǒng)實地測試

3.1 RFID系統(tǒng)在教室的分布

在擁有230個座位的階梯教室布置教室座位占空感知系統(tǒng)并進行實際測試。實驗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上方3.3 m高的位置上測試射頻天線的覆蓋范圍。為了進行更直觀的描述，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際測試結(jié)果，每一個圓點代表一個座位。其中實心點代表讀寫天線信號能夠覆蓋的部分，空心點為覆蓋不到的部分?？梢钥闯鲈撎炀€的實際覆蓋效果比較理想，在該教室布置三臺讀寫天線即可完成對整個教室的信號覆蓋。

圖9 單個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)對某一特定標(biāo)簽采集量達到一定數(shù)量后，程序開始對數(shù)據(jù)進行粗大誤差剔除；

第三步，粗大誤差剔除工作完成后，進行數(shù)據(jù)分布范圍判定，然后與提前設(shè)定好的預(yù)值進行對比，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)簽返回信號的情況時的判定方式，另有一種情況是人體將身后的電子標(biāo)簽完全屏蔽，此時系統(tǒng)無法通過對數(shù)據(jù)的處理來進行分析。針對這種情況，系統(tǒng)中提供一個固定時間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)被采集量。在系統(tǒng)所限定的固定時間間隔內(nèi)，提供被采集量的標(biāo)簽的被采集次數(shù)達到指定數(shù)量要求時，程序會將該數(shù)目與其他待判定標(biāo)簽的采集量進行對比。如果某一標(biāo)簽的采集量少于標(biāo)準(zhǔn)采集量時，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（藍色為有人的座位）

3.3 實測數(shù)據(jù)結(jié)果

在實際應(yīng)用環(huán)境中對系統(tǒng)進行測試以檢驗該系統(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，教室前端布置三臺讀寫天線，對教室實現(xiàn)完全的信號覆蓋，虛線部分表示覆蓋范圍。其中一個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。三臺讀寫天線都連接到一臺讀寫器上，這臺讀寫器將信息發(fā)送至計算機，依靠開發(fā)的應(yīng)用軟件進行信息處理以及結(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)進行測試的實測結(jié)果，結(jié)果顯示該座位占空感知系統(tǒng)具有較高的正確識別率。其中，由于讀寫天線在遠(yuǎn)距離會有比較明顯的信號強度衰減，造成后排的部分標(biāo)簽有時無法被讀取到，造成一定的測試誤差。

表4 實際測試情況 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)。在實際應(yīng)用環(huán)境中進行大量接收信號強度的數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行分析，以驗證系統(tǒng)的可行性。針對實測數(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)在實際教室環(huán)境中進行測試，獲得較好的測試效果和較高準(zhǔn)確率。