1、课表智能检查与安全书包控制系统设计 王羽凡 西北大学附中浐灞中学 摘 要： 现在中小学教辅书籍、作业、文具等学具繁多, 而每天因为课表的变化学生需要准备的学具不尽相同, 极易造成遗忘和混乱, 给日常学习和生活带来不便。此外, 学龄儿童、青少年的上学和出行安全问题, 越来越受到家长和社会的广泛关注。该文设计实现一种基于射频识别技术的可根据课表检测学具的智能安全学生书包, 能够记忆学生课表, 根据当天课表自动检测贴有电子标签的课本、作业本以及其他文具是否带齐或带错, 并发出提醒信息, 防止学生遗忘。同时, 综合利用电子围栏、人-包远离监测、防跌摔监测等技术实现学生的安全保障。关键词： 课表检查提醒
2、; 射频识别; 电子围栏; 人-包远离检测; 收稿日期：2017-09-15Received： 2017-09-151 概述随着生活节奏的加快, 城市里的家长们工作很忙很累, 大多数中小学生的家长上有老下有小, 工作生活压力都很大, 不能保证每天按时接送孩子。而外面的世界并不安全, 我们不时会听到有孩子被人贩子拐走的消息, 学龄孩子的安全问题引起社会的广泛关注1-4。文献5实现了基于北斗定位的智能学生书包, 可应用于青少年学生群体安全保障领域, 增强青少年学生群体的安全应急救援能力。文献6,7研究了学生安全定位系统。文献8研究设计了基于 GPS 的儿童实时定位监护系统, 室外自动采用 GPS
3、定位, 室内自动采用 LBS 定位, 确保任何时间任何地点都能够实时定位。此外, 现在中小学教辅书籍、文具等学具繁多, 而每天因为课表的变化学生需要准备的学具不尽相同, 加大了学生准备的难度, 极易造成学具遗忘和混乱, 给日常学习生活带来不便。文献9提供了一种具有显示携带者电子信息、GPS 卫星定位、紧急求救等多项智能化功能的学生专用智能安全书包。文献10提供了一种安全书包, 方便家长监管学龄儿童、青少年出行和上学安全。文献11提供了一种智能多功能书包, 设置有一个移动电源、卫星定位装置和无线通信发射装置, 指纹识别器和呼救按钮同时被触发时, 卫星定位装置和无线通信发射装置的供电线路接通, 把
4、书包的位置发送到指定号码的手机上, 便于家长进行寻找, 提高书包使用者的安全性。以上文献主要从学生安全出发, 利用 GPS 和电子围栏等技术设计了相关产品, 保障学生的出行安全。然而, 当犯罪分子拐走学生并故意丢弃书包时, 单纯依靠电子围栏的安全监测报警系统就会失效。本文设计实现基于射频识别技术的智能安全书包控制系统, 能够记忆学生课表, 并在学生早上出门时根据当天课表自动检测贴有电子标签的课本、作业本以及其他文具是否带齐或带错, 并发出提示信息, 防止学生遗忘。并且, 本文巧妙地利用射频识别阅读器和标签通信距离有限的特性实现人-包远离监测, 并利用重力加速度感应器实现跌摔检测。如果犯罪分子将
5、书包丢弃或者学生意外摔倒, 系统同样可以触发短消息发送。该跌倒检测装置同时还作为书包被抢夺的一种补充检测手段, 通过人-包远离检测和防跌摔检测两者之间的逻辑关系, 进一步提高系统的可靠性, 降低漏检概率和虚检概率。2 系统设计2.1 总体方案课表智能检测提醒与安全书包示意图如图 1 所示, 控制系统总体方案如图 2 所示。控制系统由微处理器、射频识别系统、GPS 模块、GSM 系统、跌摔检测模块等组成。其中微处理器系统是整个控制系统的核心, 包括控制处理器和必要的存储器、时钟等外围器件。射频识别系统由阅读器、学具标签、人-包远离检测标签组成。其中学具标签贴在课本、作业本、文具等学具上, 用作智
6、能检测和课表比对, 人-包远离检测标签用于检测人-包距离, 当距离大于阅读器和标签的通信距离时, 判断为人-包分离, 触发短信发送。GPS 模块用于定位书包位置, 并且在安全监控模式下实时向远程手机发送位置信息, 远程手机将位置信息与电子地图预设的围栏区域进行对比, 监控学生行走轨迹, 一旦超出围栏区域则发出告警。GSM 系统包括 SIM 卡模块、GSM 网络、远程手机以及运行在手机上的APP 软件, 用于传送 GPS 定位信息和其他安全报警信息。跌摔检测模块利用重力加速度传感器检测异常掉落情况, 当由于跌摔、抢夺等导致书包掉落时能及时检测并通过 GSM 系统发送报警信息。2.2 课表记忆和检
7、测课表记忆和检查提醒功能的启动分为手动和自动两种, 自动检测方式通过书包一侧的黄色按钮启动, 手动方式利用书包一侧的蓝色按钮强制启动。自动方式通过光敏电阻检测书包内的光线来实现, 将光敏电阻置于书包内, 当学生放入学具合上书包, 书包内光线变暗, 光敏电阻感知光线信息并启动阅读器工作。阅读器采用高频阅读器和电子标签配合工作, 可以同时识别多个标签, 以实现同时检测多个学具的功能。并且阅读器有效距离可调, 这样便于分别对待不同学具的检测, 比如上音乐课用的吉他, 无法装在书包里, 通常是背在肩上或者提在手里, 需要比书包里的书本、文具等有更远的识别距离。图 1 安全智能书包示意图 下载原图图 2
8、 控制系统总体框图 下载原图注:红色按钮启动安全监测功能;绿色按钮关闭安全监测功能;黄色按钮启动学具自动检测提醒功能;蓝色按钮手动强制启动学具检测提醒功能。其中蓝色按钮优先级高于黄色按钮, 当按下蓝色按钮, 系统强制启动学具监测功能。基于射频识别技术的学具检测原理图如图 3 所示。阅读器采用 MF RC50 实现, 电子标签采用符合 ISO18000 标准的无源被动式电子标签, 这种标签本身不需要供电, 工作时通过电感耦合方式从阅读器获取工作电源, 延长了使用寿命, 并且可以重复利用, 到了新学期可贴到新的课本或其他学具上, 大大降低了成本, 减少浪费, 符合节能环保理念。射频识别模块利用无线
9、方式工作, 能够实现非接触识别, 方便对各种学具的检测, 满足不同距离检测的要求, 同时还能实现人-包远离监测。课表记忆利用电脑进行课表的编辑, 编辑时要严格按照程序定义的格式进行。编辑好的课表通过数据线下载到控制系统的存储器里, 课表检测提醒将阅读器识别的学具信息与课表信息进行对比, 发现有错误或者遗漏的情况及时发出声光告警信息。光告警采用驱动发光二极管闪烁的方式, 声音告警采用支持存储的音乐芯片。课表检测提醒流程如图 4 所示。电子标签具有批量识别优势, 但是批量识别不可避免会产生标签碰问题, ISO18000 标准采用 Q 算法解决标签防碰撞, 其基本流程如下:(1) 首先阅读器发送包含
10、帧长 Qfp参数的 Query 命令, 标签通过随机数产生器产生一个在 02 范围内的随机数, 并将此随机数存入时隙计数器中。如果该随机数为 0, 则向阅读器发送自己的 UID 号, 如果只有一个标签在该时隙发送 UID号, 则阅读器能够正确接收, 称为成功时隙;如果多余一个标签在该时隙发送UID 号, 则必然产生碰撞, 称为碰撞时隙;如果在该时隙里没有标签发送 UID 号则称为空闲时隙。(2) 完成一个完整的标签识别后, 阅读器向该电子标签发送灭活指令, 此后该标签进入静默状态不再参与后续标签识别过程。随机数大于 0 的标签进入ARBITRATE 状态等待后续 Rep 命令或者 Adjust
11、 命令。(3) 完成一个时隙处理后, 阅读器发送 Rep 命令, 开启一个新的时隙。所有存活标签收到 Rep 命令后将计数器减 1, 如果标签随机数为 0, 立即发送 ID 号, 否则进入 ARBITRATE 状态。图 3 射频识别工作原理 下载原图图 4 课表检测提醒流程图 下载原图(4) 完成本帧所有时隙, 或者阅读器根据空时隙、碰撞时隙数量确定调整 Q 参数后, 开启一个新帧继续对未识别的标签进行识别, 直到完成全部标签识别, 结束标签识别处理。2.3 人-包远离检测在启动安全监控功能前提下, 人-包远离检测通过置于书包内的阅读器对隐蔽于学生衣物上的电子标签进行循环识别, 当阅读器能够正
12、常识别到标签时, 表明书包与学生间的距离较近, 当连续三次识别不到标签时, 表明书包与学生距离较远, 有可能书包被抢夺或者被犯罪分子故意丢弃, 此时, 立即向家长手机发送告警信息和实时位置信息, 以便于家长进一步采取报警措施寻找, 流程图如图 5 所示。2.4 电子围栏电子围栏模块包含远程家长手机 APP、电子地图和置于书包内的 GPS 模块等。家长手机利用 APP 设置电子围栏范围, 通过手机 APP 或者书包上安装的红色按钮安全功能均可以启动电子围栏功能, 一旦电子围栏功能被启动, GPS 模块间隔 2 秒向手机 APP 发送位置信息。手机端收到位置信息与电子围栏设置的范围进行比对, 如果
13、超出范围就告警, 否则不告警, 流程图如图 6 所示。图 5 人-包远离监测流程 下载原图图 6 电子围栏流程图 下载原图3 结束语本文设计的智能课表检测提醒与安全书包控制系统具有防拐骗和智能提醒两大功能, 防拐骗将电子围栏、人-包远离提醒、跌摔检测相结合, 加强了人贩破解的难度, 显著提高了学生上学或放学回家路上的安全性, 能够对犯罪贩子起到极大的震慑作用。参考文献1邢涛.基于学龄儿童的多功能书包设计与研究D.西南交通大学, 2013. 2李静.重庆市北陪区小学生书包卫生状况调查J.中国学校卫生, 2005 (4) . 3Forjuoh S N, Schuchmann J A, Lane B
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