吳鳳民， 賴惠鴿， 張富臣， 鄭凱強

(1.中國礦業(yè)大學銀川學院 機電系， 銀川 750021；2.寧夏大學 機械工程學院， 銀川 750021)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校試卷歸檔實驗管理系統(tǒng)

吳鳳民1,2， 賴惠鴿2， 張富臣1， 鄭凱強2

(1.中國礦業(yè)大學銀川學院 機電系， 銀川 750021；2.寧夏大學 機械工程學院， 銀川 750021)

為改變傳統(tǒng)高校試卷歸檔過程中檔案員工作繁重及后續(xù)檢查、查詢過程中查找困難的現(xiàn)狀。針對高校試卷數(shù)量大、包含信息量廣的特點，設(shè)計了基于LabVIEW和RFID技術(shù)的高校試卷歸檔實驗管理系統(tǒng)。在對系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，提出總體設(shè)計方案，給出其中關(guān)鍵技術(shù)方案，最后用LabVIEW軟件實現(xiàn)射頻標簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機之間的無線通訊和數(shù)據(jù)傳輸。初步實驗測試表明，本設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)試卷的歸檔與定位，從根本上改變了試卷歸檔、查找等環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)人工干預(yù)工作模式，對提高高校試卷及其他檔案歸檔具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

無線射頻識別； 試卷歸檔; 通信； 電子標簽； 管理系統(tǒng)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與應(yīng)用，計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，無紙化辦公已經(jīng)被越來越多的單位和高校提上日程，但是，目前以至將來很長的一段時間內(nèi)，紙質(zhì)文獻的管理(高校的試卷管理)仍然是檔案運行管理的中心任務(wù)。目前高校普遍使用的試卷管理辦法仍然是以人工干預(yù)為主的傳統(tǒng)管理方法，由于高校試卷數(shù)量大、包含信息量廣，試卷歸檔過程中檔案員工作特別繁重且容易出錯，并且后續(xù)檢查、查詢過程中查找困難。試卷的智能管理系統(tǒng)可以很好地解決上述問題，是今后精細化、自動化管理的必然趨勢。物聯(lián)網(wǎng)試卷管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有試卷與管理中心的實時網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)試卷(以袋為單位)的自動定位，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)是基于射頻識別(RFID)技術(shù)的智能試卷管理系統(tǒng)。

1 智能試卷管理系統(tǒng)需求分析

1.1 智能試卷管理系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，智能試卷管理系統(tǒng)由三層子網(wǎng)絡(luò)組成[1]:分別是試卷管理網(wǎng)絡(luò)層、檔案室網(wǎng)絡(luò)層和試卷實體網(wǎng)絡(luò)層。這樣的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)對應(yīng)著試卷歸檔的實際物理過程與物理結(jié)構(gòu)。試卷實體網(wǎng)絡(luò)層即在每個試卷帶上裝有射頻識別標簽，記錄著該試卷袋的ID 號和當前位置信息，試卷檔案網(wǎng)絡(luò)層是由一組射頻識別器(閱讀器)及其他附件組成，試卷管理網(wǎng)絡(luò)層形成試卷動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫。檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機具有本層網(wǎng)絡(luò)通信主站的功能，它與試卷實體網(wǎng)絡(luò)層之間通過無線通信技術(shù)連接，與試卷管理網(wǎng)絡(luò)層以總線方式連接。

圖1 智能試卷管理系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)

1.2 智能試卷管理系統(tǒng)功能需求

根據(jù)以上對智能試卷管理系統(tǒng)的描述，其應(yīng)具有如下功能：

(1) 試卷袋定位功能。智能試卷管理系統(tǒng)的主要功能之一是試卷袋定位，即確定檔案室每個試卷袋的位置信息，以便后續(xù)督導(dǎo)檢查或查閱時能夠準確查找。檔案室試卷存放一般采用架構(gòu)分層形式，架上位置信息指試卷袋所在的架面和面中的層。試卷袋的自動定位依靠RFID 技術(shù)完成。

(2) 試卷袋信息采集功能。試卷袋包含學院、系別、專業(yè)、班級、教師、考場記錄、成績、答題卷及架上位置等大量信息，并且存在唯一性，通過RFID標簽寫入試卷袋相關(guān)信息。

(3) 通信功能。試卷實體網(wǎng)絡(luò)層試卷袋標簽在收到檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機的數(shù)據(jù)召喚命令時，將架上試卷袋ID 號及位置信息發(fā)送至檔案室網(wǎng)絡(luò)層主機。

(4) 人機界面功能。智能試卷管理系統(tǒng)應(yīng)具有必要、簡單的人機界面功能[1-5]，如顯示試卷袋編號、存放信息等。

(5) 工作可靠性和使用壽命。智能試卷管理系統(tǒng)的軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)能夠保證其連續(xù)正常工作，為此，應(yīng)周密考慮其機械結(jié)構(gòu)、功耗、散熱、軟硬件抗干擾、故障或異常、自恢復(fù)等方面的設(shè)計。使用壽命主要取決于元器件及部件的選擇。

(6) 其他需求。環(huán)境適應(yīng)性，復(fù)雜度與成本，可維護性，繼承性與技術(shù)升級，結(jié)構(gòu)化和通用化。

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)上述通用結(jié)構(gòu)和功能需求，綜合考慮其他各方面因素，可確定智能試卷管理系統(tǒng)的總體方案見圖2。方案中體現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖2 智能試卷管理系統(tǒng)總體方案

試卷架的每層都設(shè)有貼片天線，各天線以多路射頻開關(guān)與射頻識別卡相連接。射頻識別卡讀取架上試卷袋標簽信息時，以層為基本單位。射頻控制器采用單片機控制系統(tǒng)[6-8]。圖2中相關(guān)部分的連接關(guān)系體現(xiàn)了軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。智能試卷管理系統(tǒng)的人機界面只需顯示試卷袋相關(guān)信息，可采用小型液晶顯示屏實現(xiàn)。實際應(yīng)用中，每一上層網(wǎng)絡(luò)主機也可以連接、控制多個試卷架，視具體情況而定。這時，只需增加射頻多路開關(guān)的設(shè)計路數(shù)，并且在軟件設(shè)計中考慮系統(tǒng)的可配置性，以滿足通用化要求[9-11]。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1 RFID技術(shù)方案選擇

電子標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼(產(chǎn)品電子EPC碼)，附著在試卷袋上標識目標對象，可以存入大量信息；分為有源和無源兩種，有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作；無源卡內(nèi)無電池，它將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離近，但其壽命長且對工作環(huán)境要求不高。從成本和應(yīng)用要求考慮，試卷袋等電子標簽應(yīng)選擇無源的方案。從工作頻率來看，可以分為低(125～135 kHz),高頻(1～400 MHz)，超高頻,微波(2.45 GHz,5.8 GHz)等幾大類，一般場合用低頻和高頻，低頻的最大的優(yōu)點在于其標簽靠近金屬或液體的物品上時標簽受到的影響較小，同時低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫設(shè)備的價格低廉。但缺點是讀取距離短、無法同時進行多標簽讀取(抗沖突)，因此該智能試卷管理系統(tǒng)選擇超高頻2.4 GHz的ISM頻段，和低頻相較，其傳輸速度較快，在100 kb/s以上，通常用于傳送大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)[1]，且可進行多標簽辨識(試卷管理)。該頻段的系統(tǒng)也比較成熟，讀寫設(shè)備的價格較低。

3.2 無線貼片天線

選用RFID 技術(shù)方案,頻率采用超高頻段，這個頻段的貼片天線設(shè)計相對比較成熟，選用平面單級天線，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，在損耗和厚度都較小的介質(zhì)襯底兩側(cè)，敷設(shè)金屬接地板和金屬貼片，其剖面薄，體積小，重量輕，制造成本低[9]。

圖3 平面單級天線的基本結(jié)構(gòu)

平面單級天線的尺寸主要由其低頻段決定，對于規(guī)則形狀輻射貼片的平面單級天線駐波比到達2級,所對應(yīng)的低頻點可以用圓柱體近似法進行估計[5],即

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得到：

(3)

則天線工作的低頻點為：

(4)

FL的單位為GHz，L、r的單位為mm?？紤]饋入間隙g的影響，式(4)修正為：

(5)

本設(shè)計中所采用的貼片天線規(guī)格尺寸為： 24.15 mm(L)×5 mm(W)×1.5 mm(T)，內(nèi)置天線2.4 GHz。

3.3 多路射頻開關(guān)

本設(shè)計中須使用多對一的多路射頻開關(guān)，即連接多個貼片天線的多條引線，其中一條引線與公共引線端(連接RFID閱讀器)相連接。這種多路射頻開關(guān)可在單刀雙擲開關(guān)的基礎(chǔ)上進行組合，并附加適當?shù)目刂齐娐穼崿F(xiàn)。

3.4 單片機系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，智能試卷管理系統(tǒng)的射頻控制器包括單片機系統(tǒng)。單片機可選用較通用的機型，如：AT89C51。單片機上的串行通信口配以RS232接口芯片。其主要功能應(yīng)該滿足：

(1) 單片機主程序要能夠靈活調(diào)用標簽讀寫子程序，閱讀器閱讀控制子程序，并且要能夠和主機進行靈活通信，將采集的檔案室試卷袋相關(guān)信息實時、準確地傳輸?shù)较鄳?yīng)主機形成試卷信息數(shù)據(jù)庫[12-15]。

(2) 當單片機系統(tǒng)接收到管理中心主機的查詢指令時，要能夠循環(huán)輸出多路射頻開關(guān)控制字、循環(huán)讀取閱讀器信息以獲得檔案室架上試卷袋相關(guān)信息，尤其是位置信息。

4 LabVIEW編程實現(xiàn)

主要實現(xiàn)射頻標簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。上層網(wǎng)絡(luò)主機(上位機)通過搜索并連接欲訪問的下位機(射頻標簽)的IP地址及端口，實現(xiàn)與該下位機的基于TCP協(xié)議的無線通信。

4.1 程序流程設(shè)計

整個程序采用“事件觸發(fā)”的方式來編寫。當上位機處于任意下位機的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時，通過搜索查找下位機IP(下位機通過TCP.Listen.vi幀聽)并與之建立連接，同時運行上位機程序， 如果通信網(wǎng)絡(luò)連接成功，程序則向下位機循環(huán)發(fā)送指令。其程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

4.2 程序流程LabVIEW編程實現(xiàn)

射頻標簽和其上層網(wǎng)絡(luò)主機之間的無線通信功能主要通過LabVIEW中自帶的TCP函數(shù)和VI來實現(xiàn)。運行LabVIEW2014，新建一個VI，在程序框圖中添加一個“打開TCP連接”函數(shù)，并對IP地址、遠程端口、ID、輸入輸出等接線端子進行定義。此處的IP和遠程端口號(用戶指定)與欲連接的下位機所配置的端口號相一致，程序通過此通道與下位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[16-17]。

“開始”事件未發(fā)生時，此時下位機處于低功耗休眠狀態(tài)。當“開始”事件觸發(fā)后，程序則循環(huán)向下位機發(fā)送一個長度為8個字節(jié)的字符串，前4個字節(jié)是“open”打開指令，后4個字節(jié)是代表下位機向上位機所發(fā)數(shù)據(jù)包容量值的數(shù)字字符串，此后下位機將根據(jù)這個參數(shù)向上位機發(fā)送規(guī)定大小的數(shù)據(jù)包。程序循環(huán)通過“讀取TCP 數(shù)據(jù)”函數(shù)從下位機讀取信息，當“開始”事件被停止后，程序重新發(fā)送關(guān)斷指令，下位機自此進入休眠狀態(tài)。

下位機供電后，將一直處于低功耗休眠狀態(tài)，并循環(huán)監(jiān)聽上位機的控制指令。當收到上位機的打開指令后，下位機則根據(jù)指令內(nèi)容對程序進行初始化配置，設(shè)置波特率及數(shù)據(jù)包容量等參數(shù)，配置完成后下位機開始工作，數(shù)據(jù)發(fā)送過程中程序依然持續(xù)監(jiān)聽上位機的指令，若收到關(guān)斷指令，則單片機(射頻控制器)控制整個下位機進入休眠模式。下位機程序流程見圖5。

圖5 下位機程序

5 結(jié) 語

本文以物聯(lián)網(wǎng)智能試卷管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、通用化為設(shè)計目標，采用RFID 技術(shù)，首先進行需求分析，在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計方案，并進一步探討了其中關(guān)鍵技術(shù)方案。最后用LabVIEW編程實現(xiàn)了系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即無線網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)，在兩臺計算機之間實現(xiàn)了持續(xù)無線數(shù)據(jù)傳輸，初步試驗測試表明，該設(shè)計具有先進性，所實現(xiàn)功能及性能指標滿足實用化要求。為高校試卷的智能化管理提供了初步的模型，為其進一步的發(fā)展與完善提供了雛形與基礎(chǔ)。

[1] 張郁松,杜景林.基于超高頻RFID的圖書館智能書架方案研究與設(shè)計[J].圖書館雜志,2014(12):87-93.

[2] 張立新,杜 剛.物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2015,14(2):16-17.

[3] 沈蘇彬,楊 震.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其標準化[J].南京郵電大學學報,2015,35(1):1-17.

[4] Sergey Efremov*, Nikolay Pilipenko, Leonid Voskov.An Integrated Approach to Common Problems in the Internet of Things[J].Procedia Engineering,2015(8):1215-1223.

[5] 張海營.基于物聯(lián)網(wǎng)的圖書館館藏推薦服務(wù)平臺構(gòu)建[J].圖書館雜志,2013(12):33-35.

[6] 劉秀峰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的圖書管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2015(5):54-55.

[7] 蔣東銘,陳新宇.基于CMOS SOI工藝的射頻開關(guān)設(shè)計[J].固體電子學研究與進展,2014,34(2):142-144.

[8] 張光輝,石 玉.基于PIN管的多路大功率寬帶高線性射頻開關(guān)的研制[J].電子元件與材料,2012,31(11):59-61.

[9] 白 冰,牛中奇.用于無線通信的新型寬帶旋轉(zhuǎn)貼片天線設(shè)計[J].西安電子科技大學學報(自然科學版),2015,42(3):193-196.

[10] 郭蓉曹,祥 玉.一種新型寬帶定向性貼片天線設(shè)計[J].物理學報,2014,63(24):3-6.

[11] 周喜權(quán).一種新型超寬帶雙陷波平面單極子貼片天線設(shè)計[J].電訊技術(shù),2013，53(10):1362-1365.

[12] 張郁松.圖書管理物聯(lián)網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[J]. 圖書館學刊, 2012(12):119-121.

[13] 劉延吉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 價值工程,2013(22):226-227.

[14] 張志軍,徐小力.基于LabVIEW和WiFi技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2012,40(3):367-370.

[15] Hamoud M. Aldosari.A Proposed Security Layer for the Internet of Things Communication Reference Model[J].computer science,2015(1):96-98.

[16] 劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2003．

[17] 白 云.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社,2009.

Colleges and Universities Examination Paper Archiving Testing Management System Based on Internet of Things

WUFeng-min1,2,LAIHui-ge2,ZHANGFu-cheng1,ZHENGKai-qiang2

(1. Mechanical and electrical department, Yinchuan College of China University of Mining, Yinchuan 750021, China； 2. Ningxia University Mechanical College， Yinchuan 750021, China)

In order to change the present situation of the hard work of exam-paper archivists, and also solve the problem of difficultly finding papers in the checking and querying process, this paper designed a college paper archiving testing management system based on LabVIEW and RFID. Firstly, system requirements analysis were conducted, the overall design scheme was then put forward, and the key technologies in implementing scheme were analyzed, finally the wireless communication and data transmission between REID label and the top web host were designed by LabVIEW software. A preliminary test showed that this design could achieve the functions of examination papers filing and positioning， it fundamentally changed the traditional working mode, and also has important theoretical and realistic significance to improve the college examination paper archiving.

radio frequency identification technology(RFID)； examination paper archiving; communication； electronic tag； management system

2016-04-18

吳鳳民(1984-)，女，甘肅白銀人，助教，碩士生在讀，主要從事機械設(shè)計及理論、物聯(lián)網(wǎng)和信息工程及其控制理論的教學和研究工作。Tel.:15909586180;E-mail:603054928qq.com

G 642.0

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1006-7167(2017)01-0246-04