基于WIFI定位的電子學(xué)生證的研制

吳巧

(安徽師范大學(xué)安徽蕪湖241000)

摘要：針對(duì)當(dāng)今學(xué)生安全熱點(diǎn)問題，提出一種基于WIFI定位的電子學(xué)生證的研制方案。給出基于WIFI無線定位電子學(xué)生證管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)與通信過程，該電子學(xué)生證基于無線局域網(wǎng)，多層次式結(jié)構(gòu)，集多種工作模式于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)時(shí)管理、跟蹤，提高了學(xué)?；虮O(jiān)護(hù)人的管理監(jiān)控水平。

關(guān)鍵詞：電子學(xué)生證；WIFI；管理監(jiān)控水平；

中圖分類號(hào)：TN926+.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

收稿日期：2014-10-11

作者簡(jiǎn)介：吳巧(1991-)，女，安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院。

近年來各學(xué)校經(jīng)常有學(xué)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(fā)生更加提醒人們校園安全防護(hù)的重要性。唯有加強(qiáng)校園管理，確保學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)安全，才能讓學(xué)生監(jiān)護(hù)人安心、校方進(jìn)行正常教學(xué)，這是建立學(xué)生良好學(xué)習(xí)環(huán)境的重要前提和提升整體安全的重中之重。電子學(xué)生證結(jié)合學(xué)校安防可有效提升校園的整體管理效力和安全質(zhì)量。每一電子學(xué)生證具有唯一的EPC(Electronic Product Code)號(hào)，學(xué)生通過校門時(shí)自動(dòng)進(jìn)行身份識(shí)別，準(zhǔn)確記錄學(xué)生的進(jìn)、出校時(shí)間，杜絕教學(xué)無關(guān)人員進(jìn)入學(xué)校，避免各種危險(xiǎn)事件的發(fā)生，確保學(xué)校教育安全有序進(jìn)行。利用WIFI定位技術(shù)智能化的管理學(xué)生是一種較為新穎的理念，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展管理創(chuàng)新的一種新模式[1,2]，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為媒介，運(yùn)用WIFI無線通信、無線定位、自動(dòng)控制和多媒體監(jiān)控等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生證管理的高度自動(dòng)化和智能化，將學(xué)生管理、家庭監(jiān)護(hù)、社會(huì)安防整合在一起，使校方、學(xué)生及學(xué)生監(jiān)護(hù)人形成多種形式的信息交互。本文基于無線WIFI網(wǎng)絡(luò)，研究和設(shè)計(jì)一種基于WIFI定位的電子學(xué)生證，為實(shí)現(xiàn)校園出入管理、學(xué)校安防監(jiān)控、教務(wù)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(gòu)

本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為定位應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和終端設(shè)備層三個(gè)層次,如圖1所示。

(1)定位應(yīng)用層：安裝有定位服務(wù)器軟件，主要用于請(qǐng)求命令的接收及響應(yīng)和定位數(shù)據(jù)分析處理。應(yīng)用程序接收并分析定位請(qǐng)求原命令，再處理成目標(biāo)定位命令，該層次與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，數(shù)據(jù)庫(kù)表包括熱點(diǎn)定位表、采樣信息表、濾波處理后的信息表、定位信息表等，應(yīng)用程序結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)按相關(guān)算法分析計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)定位目標(biāo)的位置。

(2)網(wǎng)絡(luò)層：連接定位應(yīng)用層和終端設(shè)備的通信設(shè)施，包括網(wǎng)絡(luò)控制器、數(shù)據(jù)交換處理節(jié)點(diǎn)、通信線路及信息采集設(shè)備等。AP(Access Point)采用2.4GHz頻段，支持802.11b/g模式，在控制范圍內(nèi)采集電子學(xué)生證或腕帶標(biāo)簽的信息，傳輸?shù)胶蠖说姆?wù)器管理中心。

(3)終端設(shè)備層：客戶端與服務(wù)端之間，能以人機(jī)交互或會(huì)話方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并經(jīng)通信設(shè)施或網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)端輸入數(shù)據(jù)或接收計(jì)算機(jī)輸出處理位置信息的設(shè)備。通常，終端設(shè)備設(shè)置在能利用網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)處服務(wù)器聯(lián)接的方便場(chǎng)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(dòng)終端或電子學(xué)生證作為無線數(shù)據(jù)采集模塊隨人身移動(dòng)，WIFI設(shè)備通過對(duì)校內(nèi)學(xué)生證的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的跟蹤定位，以人機(jī)交互作用或會(huì)話方式顯示在移動(dòng)客戶端或PC端。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1　客戶端與服務(wù)端具體通信過程

每個(gè)電子學(xué)生證中的WIFI標(biāo)簽包含攜帶用戶的個(gè)人詳細(xì)信息，熱點(diǎn)AP可監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)電子學(xué)生證，經(jīng)交換機(jī)將學(xué)生證中的個(gè)人信息傳送至服務(wù)器機(jī)組，考慮數(shù)據(jù)吞吐量和負(fù)載均衡問題，服務(wù)器機(jī)組分為請(qǐng)求響應(yīng)服務(wù)器和定位服務(wù)器，高性能定位服務(wù)器分析計(jì)算出學(xué)生證的位置數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，匯集各種數(shù)據(jù)到信息中心機(jī)房；當(dāng)需要對(duì)學(xué)生定位時(shí)，客戶終端發(fā)送定位信息，服務(wù)端軟件結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)分析處理以及經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施傳送學(xué)生證位置信息到客戶終端。

電子學(xué)生證客戶端與服務(wù)端具體通信過程如圖2所示，熱點(diǎn)AP分布在學(xué)校的各樓層教室、校門口、校園等關(guān)鍵場(chǎng)所，位置固定不變，并向周圍發(fā)射檢測(cè)信號(hào)用于檢測(cè)控制范圍內(nèi)是否存在電子學(xué)生證，學(xué)生證中包含唯一的EPC號(hào)。該系統(tǒng)工作時(shí)，客戶移動(dòng)終端和定位服務(wù)端連接Internet，采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP通信協(xié)議，預(yù)留額外的擴(kuò)展空間，便于后期開發(fā)。該系統(tǒng)支持主動(dòng)和被動(dòng)定位方式，主動(dòng)工作模式下，響應(yīng)服務(wù)器采集程序通過AP偵測(cè)附近周圍所有學(xué)生證EPC號(hào)和對(duì)應(yīng)的RSSI(Received Signal Strength Indication)，處理并編碼成命令數(shù)據(jù)(DATA_CMD)，傳送到定位服務(wù)器，其中命令數(shù)據(jù)(DATA_CMD)中包含學(xué)生證EPC號(hào)、RSSI特征向量、A、B、C標(biāo)志位、Star和OD起止標(biāo)志字節(jié)等信息。定位服務(wù)器接收數(shù)據(jù)命令(DATA_CMD)，解碼并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢每個(gè)AP的坐標(biāo)，更新定位標(biāo)簽的位置信息，運(yùn)用相關(guān)的定位運(yùn)算操作得到電子學(xué)生證位置估計(jì)位置命令(DATA_POS)，位置命令經(jīng)響應(yīng)服務(wù)器處理得到位置信息(MESS_POS)通過外部網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到客戶終端并顯示，如圖3所示。被動(dòng)工作模式下，客戶終端先發(fā)送定位請(qǐng)求(POS_Require)，然后響應(yīng)服務(wù)器按指令采集并篩選待定位學(xué)生證EPC號(hào)，同理，通過整個(gè)定位過程獲得待定位的學(xué)生證位置信息，如圖4所示。

2.2　客戶端

本系統(tǒng)客戶端主要是移動(dòng)手持終端。首先，Android系統(tǒng)手機(jī)占據(jù)市場(chǎng)主流，軟件資源豐富，具有良好的開發(fā)性，代碼開源性降低開發(fā)周期，且近些年Android系統(tǒng)手機(jī)在市場(chǎng)上占有率不斷提高，所以移動(dòng)手機(jī)終端采用基于Linux 平臺(tái)的開源Android語言進(jìn)行開發(fā)，其良好的開放性和豐富的API 接口，可以很方便地與已有網(wǎng)絡(luò)通信和開發(fā)各種應(yīng)用程序。手機(jī)移動(dòng)終端Android 應(yīng)用程序[3]包含多個(gè)不同的組件，組件之間可進(jìn)行信息交互，基本組件主要包括 Activity、Service、BroadcastReceiver和 ContentProvider，及負(fù)責(zé)傳遞消息的Intent 組件，如圖5所示。所有組件都應(yīng)在應(yīng)用程序工程的AndroidManifest.xml 文件中聲明。AndroidManifest.xml 文件負(fù)責(zé)將整個(gè)Android 應(yīng)用程序Activity、Service 等組件有機(jī)的組合。在應(yīng)用中，一個(gè) activity通常是一個(gè)單獨(dú)的屏幕，即供用戶操作的可視化界面。Service 是一段具有較長(zhǎng)生命周期的程序，啟動(dòng)后一般一直處于運(yùn)行狀態(tài)，是運(yùn)行在系統(tǒng)的后臺(tái)進(jìn)程，用來提供后臺(tái)服務(wù)或數(shù)據(jù)處理。BroadcastReceiver 用于接收廣播通知，并作出相應(yīng)處理。ContentProvider 可為其他應(yīng)用程序提供一些特定的程序數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式多樣，可以是 Android 文件系統(tǒng)或 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以是適合其他系統(tǒng)開發(fā)特定格式。

2.3　服務(wù)端

服務(wù)端[4-6]由服務(wù)器機(jī)組構(gòu)成，服務(wù)器機(jī)組包括命令響應(yīng)服務(wù)器和定位服務(wù)器；響應(yīng)服務(wù)器是指駐留于因特網(wǎng)上某種類型服務(wù)計(jì)算機(jī)程序，主要用于對(duì)外通信，接收外界的請(qǐng)求，通過AP直接對(duì)電子學(xué)生證搜尋，經(jīng)定位服務(wù)器數(shù)據(jù)處理后返回給客戶端相應(yīng)的位置信息；定位服務(wù)器是定位服務(wù)器機(jī)組的核心，承載著命令接收和大量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，定位服務(wù)器接收到響應(yīng)服務(wù)器的處理命令后，創(chuàng)建一個(gè)新工作任務(wù)，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)處理，定位服務(wù)器工作時(shí)需使用LBS(Location Based Services)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)[7,8]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，主要涉及到數(shù)據(jù)的讀寫、存儲(chǔ)，分析處理后將結(jié)果返回到響應(yīng)服務(wù)器端，如圖6所示。本服務(wù)端應(yīng)用程序采用C#語言，以VS2010和SQL2008為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，C#是一種簡(jiǎn)單、類型安全、面向?qū)ο蟮恼Z言，支持Internet可編程結(jié)構(gòu)。C#是.net的代表語言。編程便捷，提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)API接口，很好解決分布式問題。.net平臺(tái)提供類型安全檢查機(jī)制，代碼方便移植。開發(fā)過程中通過ADO(ActiveX Data Objects)方式進(jìn)行訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，操作靈活，恢復(fù)管理性能好，可大大降低網(wǎng)絡(luò)開銷，避免死鎖，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)間的互通。

3樣機(jī)調(diào)試結(jié)果

通過樣機(jī)調(diào)試基于WIFI定位的電子學(xué)生證具有良好的實(shí)用性和擴(kuò)展性，WIFI智能終端產(chǎn)品已在生活中得到廣泛的普及，且國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商和公司乃至部分家庭均已安裝大量的熱點(diǎn)，尤其是在各大城市學(xué)校等教育機(jī)構(gòu)，通過現(xiàn)有的WIFI設(shè)施，可顯著降低初期投資成本，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，為電子學(xué)生證管理系統(tǒng)研究和推動(dòng)LBS應(yīng)用提供最佳的基礎(chǔ)條件和保證。經(jīng)調(diào)試，所研制的電子學(xué)生證樣機(jī)達(dá)到以下效果：

(1)防破壞，自動(dòng)報(bào)警。防破壞設(shè)計(jì)電子標(biāo)簽內(nèi)置導(dǎo)電回路，有效防止破壞，電子學(xué)生證一旦折斷，系統(tǒng)立即報(bào)警。

(2)EPC-MAC唯一，保密性能好。每個(gè)電子學(xué)生證具有唯一的EPC號(hào)，不會(huì)重復(fù)導(dǎo)致混亂。存儲(chǔ)攜卡人信息，增加獨(dú)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(wù)結(jié)合，現(xiàn)金管理使用。實(shí)施校園“一卡通”，有效解決卡、證、票據(jù)數(shù)目繁多，手續(xù)復(fù)雜不便等問題，可在學(xué)生證中加入個(gè)人身份認(rèn)證信息，不僅可作為現(xiàn)金卡供支付用，也可作為證件進(jìn)行身份識(shí)便于進(jìn)行統(tǒng)一管理。

(4)一鍵定位信息顯示。家長(zhǎng)需要定位電子學(xué)生證具體位置時(shí)，通過手機(jī)、web查看學(xué)生所在位置并由手機(jī)進(jìn)行移動(dòng)導(dǎo)航。

(5)歷史跟蹤。通過記錄電子標(biāo)簽的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤目標(biāo)的活動(dòng)位置路線回放，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)行蹤的實(shí)時(shí)控制。

(6)多方式定位。支持主動(dòng)和被動(dòng)定位方式，校門口安裝無線AP，學(xué)生進(jìn)出校門，采集到電子學(xué)生證信息便向家長(zhǎng)和服務(wù)器發(fā)送短信進(jìn)行提醒。用戶也可通過移動(dòng)客戶終端發(fā)送命令查詢當(dāng)前電子學(xué)生證位置信息。

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

(8)超低輻射綠色環(huán)保設(shè)計(jì)。電子學(xué)生證內(nèi)置電源管理模塊，無外部觸發(fā)條件下，大部分功能自動(dòng)進(jìn)入休眠，降低能源消耗，減少對(duì)人體的電磁輻射。

4結(jié)語

本文研制的基于WIFI定位的電子學(xué)生證是一種利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)校方管理和家長(zhǎng)及時(shí)了解學(xué)生動(dòng)向的教育平臺(tái)，極大地提高了學(xué)校、學(xué)生及學(xué)生家長(zhǎng)間的信息溝通能力。無線WIFI技術(shù)的使用節(jié)省了通信線路的連接、鋪設(shè)工時(shí)，降低了建設(shè)周期。本文提出的一種電子學(xué)生證研究方案，不僅可用于學(xué)生定位和校園安防，還可應(yīng)用用于社區(qū)安全監(jiān)控，倉(cāng)儲(chǔ)物料管理，地下礦山探測(cè)等領(lǐng)域，靈活的構(gòu)建層次使其具有更廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

參 考 文 獻(xiàn)

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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.