王羽凡

摘要：現(xiàn)在中小學(xué)教輔書(shū)籍、作業(yè)、文具等學(xué)具繁多，而每天因?yàn)檎n表的變化學(xué)生需要準(zhǔn)備的學(xué)具不盡相同，極易造成遺忘和混亂，給日常學(xué)習(xí)和生活帶來(lái)不便。此外，學(xué)齡兒童、青少年的上學(xué)和出行安全問(wèn)題，越來(lái)越受到家長(zhǎng)和社會(huì)的廣泛關(guān)注。該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的可根據(jù)課表檢測(cè)學(xué)具的智能安全學(xué)生書(shū)包，能夠記憶學(xué)生課表，根據(jù)當(dāng)天課表自動(dòng)檢測(cè)貼有電子標(biāo)簽的課本、作業(yè)本以及其他文具是否帶齊或帶錯(cuò)，并發(fā)出提醒信息，防止學(xué)生遺忘。同時(shí)，綜合利用電子圍欄、人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)、防跌摔監(jiān)測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生的安全保障。

關(guān)鍵詞：課表檢查提醒；射頻識(shí)別；電子圍欄；人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）33-0247-03

1 概述

隨著生活節(jié)奏的加快，城市里的家長(zhǎng)們工作很忙很累，大多數(shù)中小學(xué)生的家長(zhǎng)上有老下有小，工作生活壓力都很大，不能保證每天按時(shí)接送孩子。而外面的世界并不安全，我們不時(shí)會(huì)聽(tīng)到有孩子被人販子拐走的消息，學(xué)齡孩子的安全問(wèn)題引起社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-4]。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了基于北斗定位的智能學(xué)生書(shū)包，可應(yīng)用于青少年學(xué)生群體安全保障領(lǐng)域，增強(qiáng)青少年學(xué)生群體的安全應(yīng)急救援能力。文獻(xiàn)[6，7]研究了學(xué)生安全定位系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8] 研究設(shè)計(jì)了基于GPS的兒童實(shí)時(shí)定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，室外自動(dòng)采用GPS定位，室內(nèi)自動(dòng)采用LBS定位，確保任何時(shí)間任何地點(diǎn)都能夠?qū)崟r(shí)定位。此外，現(xiàn)在中小學(xué)教輔書(shū)籍、文具等學(xué)具繁多，而每天因?yàn)檎n表的變化學(xué)生需要準(zhǔn)備的學(xué)具不盡相同，加大了學(xué)生準(zhǔn)備的難度，極易造成學(xué)具遺忘和混亂，給日常學(xué)習(xí)生活帶來(lái)不便。文獻(xiàn)[9]提供了一種具有顯示攜帶者電子信息、GPS衛(wèi)星定位、緊急求救等多項(xiàng)智能化功能的學(xué)生專用智能安全書(shū)包。文獻(xiàn)[10]提供了一種安全書(shū)包，方便家長(zhǎng)監(jiān)管學(xué)齡兒童、青少年出行和上學(xué)安全。文獻(xiàn)[11]提供了一種智能多功能書(shū)包，設(shè)置有一個(gè)移動(dòng)電源、衛(wèi)星定位裝置和無(wú)線通信發(fā)射裝置，指紋識(shí)別器和呼救按鈕同時(shí)被觸發(fā)時(shí)，衛(wèi)星定位裝置和無(wú)線通信發(fā)射裝置的供電線路接通，把書(shū)包的位置發(fā)送到指定號(hào)碼的手機(jī)上，便于家長(zhǎng)進(jìn)行尋找，提高書(shū)包使用者的安全性。

以上文獻(xiàn)主要從學(xué)生安全出發(fā)，利用GPS和電子圍欄等技術(shù)設(shè)計(jì)了相關(guān)產(chǎn)品，保障學(xué)生的出行安全。然而，當(dāng)犯罪分子拐走學(xué)生并故意丟棄書(shū)包時(shí)，單純依靠電子圍欄的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)失效。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于射頻識(shí)別技術(shù)的智能安全書(shū)包控制系統(tǒng)，能夠記憶學(xué)生課表，并在學(xué)生早上出門(mén)時(shí)根據(jù)當(dāng)天課表自動(dòng)檢測(cè)貼有電子標(biāo)簽的課本、作業(yè)本以及其他文具是否帶齊或帶錯(cuò)，并發(fā)出提示信息，防止學(xué)生遺忘。并且，本文巧妙地利用射頻識(shí)別閱讀器和標(biāo)簽通信距離有限的特性實(shí)現(xiàn)人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)，并利用重力加速度感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)跌摔檢測(cè)。如果犯罪分子將書(shū)包丟棄或者學(xué)生意外摔倒，系統(tǒng)同樣可以觸發(fā)短消息發(fā)送。該跌倒檢測(cè)裝置同時(shí)還作為書(shū)包被搶奪的一種補(bǔ)充檢測(cè)手段，通過(guò)人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)和防跌摔檢測(cè)兩者之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，降低漏檢概率和虛檢概率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

課表智能檢測(cè)提醒與安全書(shū)包示意圖如圖1所示，控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。控制系統(tǒng)由微處理器、射頻識(shí)別系統(tǒng)、GPS模塊、GSM系統(tǒng)、跌摔檢測(cè)模塊等組成。其中微處理器系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，包括控制處理器和必要的存儲(chǔ)器、時(shí)鐘等外圍器件。射頻識(shí)別系統(tǒng)由閱讀器、學(xué)具標(biāo)簽、人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)標(biāo)簽組成。其中學(xué)具標(biāo)簽貼在課本、作業(yè)本、文具等學(xué)具上，用作智能檢測(cè)和課表比對(duì)，人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)標(biāo)簽用于檢測(cè)人-包距離，當(dāng)距離大于閱讀器和標(biāo)簽的通信距離時(shí)，判斷為人-包分離，觸發(fā)短信發(fā)送。GPS模塊用于定位書(shū)包位置，并且在安全監(jiān)控模式下實(shí)時(shí)向遠(yuǎn)程手機(jī)發(fā)送位置信息，遠(yuǎn)程手機(jī)將位置信息與電子地圖預(yù)設(shè)的圍欄區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)控學(xué)生行走軌跡，一旦超出圍欄區(qū)域則發(fā)出告警。GSM系統(tǒng)包括SIM卡模塊、GSM網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程手機(jī)以及運(yùn)行在手機(jī)上的APP軟件，用于傳送GPS定位信息和其他安全報(bào)警信息。跌摔檢測(cè)模塊利用重力加速度傳感器檢測(cè)異常掉落情況，當(dāng)由于跌摔、搶奪等導(dǎo)致書(shū)包掉落時(shí)能及時(shí)檢測(cè)并通過(guò)GSM系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。

2.2 課表記憶和檢測(cè)

課表記憶和檢查提醒功能的啟動(dòng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，自動(dòng)檢測(cè)方式通過(guò)書(shū)包一側(cè)的黃色按鈕啟動(dòng)，手動(dòng)方式利用書(shū)包一側(cè)的藍(lán)色按鈕強(qiáng)制啟動(dòng)。自動(dòng)方式通過(guò)光敏電阻檢測(cè)書(shū)包內(nèi)的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)，將光敏電阻置于書(shū)包內(nèi)，當(dāng)學(xué)生放入學(xué)具合上書(shū)包，書(shū)包內(nèi)光線變暗，光敏電阻感知光線信息并啟動(dòng)閱讀器工作。

閱讀器采用高頻閱讀器和電子標(biāo)簽配合工作，可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)學(xué)具的功能。并且閱讀器有效距離可調(diào)，這樣便于分別對(duì)待不同學(xué)具的檢測(cè)，比如上音樂(lè)課用的吉他，無(wú)法裝在書(shū)包里，通常是背在肩上或者提在手里，需要比書(shū)包里的書(shū)本、文具等有更遠(yuǎn)的識(shí)別距離。

基于射頻識(shí)別技術(shù)的學(xué)具檢測(cè)原理圖如圖3所示。閱讀器采用MF RC50實(shí)現(xiàn)，電子標(biāo)簽采用符合ISO18000標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源被動(dòng)式電子標(biāo)簽，這種標(biāo)簽本身不需要供電，工作時(shí)通過(guò)電感耦合方式從閱讀器獲取工作電源，延長(zhǎng)了使用壽命，并且可以重復(fù)利用，到了新學(xué)期可貼到新的課本或其他學(xué)具上，大大降低了成本，減少浪費(fèi)，符合節(jié)能環(huán)保理念。射頻識(shí)別模塊利用無(wú)線方式工作，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸識(shí)別，方便對(duì)各種學(xué)具的檢測(cè)，滿足不同距離檢測(cè)的要求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)。

課表記憶利用電腦進(jìn)行課表的編輯，編輯時(shí)要嚴(yán)格按照程序定義的格式進(jìn)行。編輯好的課表通過(guò)數(shù)據(jù)線下載到控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器里，課表檢測(cè)提醒將閱讀器識(shí)別的學(xué)具信息與課表信息進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤或者遺漏的情況及時(shí)發(fā)出聲光告警信息。光告警采用驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管閃爍的方式，聲音告警采用支持存儲(chǔ)的音樂(lè)芯片。課表檢測(cè)提醒流程如圖4所示。

電子標(biāo)簽具有批量識(shí)別優(yōu)勢(shì)，但是批量識(shí)別不可避免會(huì)產(chǎn)生標(biāo)簽碰問(wèn)題，ISO18000標(biāo)準(zhǔn)采用Q算法解決標(biāo)簽防碰撞，其基本流程如下：

（1） 首先閱讀器發(fā)送包含幀長(zhǎng)Qfp參數(shù)的Query命令，標(biāo)簽通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)在[0～2Qfp]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，并將此隨機(jī)數(shù)存入時(shí)隙計(jì)數(shù)器中。如果該隨機(jī)數(shù)為0，則向閱讀器發(fā)送自己的UID號(hào)，如果只有一個(gè)標(biāo)簽在該時(shí)隙發(fā)送UID號(hào)，則閱讀器能夠正確接收，稱為成功時(shí)隙；如果多余一個(gè)標(biāo)簽在該時(shí)隙發(fā)送UID號(hào)，則必然產(chǎn)生碰撞，稱為碰撞時(shí)隙；如果在該時(shí)隙里沒(méi)有標(biāo)簽發(fā)送UID號(hào)則稱為空閑時(shí)隙。

（2） 完成一個(gè)完整的標(biāo)簽識(shí)別后，閱讀器向該電子標(biāo)簽發(fā)送滅活指令，此后該標(biāo)簽進(jìn)入靜默狀態(tài)不再參與后續(xù)標(biāo)簽識(shí)別過(guò)程。隨機(jī)數(shù)大于0 的標(biāo)簽進(jìn)入ARBITRATE狀態(tài)等待后續(xù)Rep命令或者Adjust命令。

（3） 完成一個(gè)時(shí)隙處理后，閱讀器發(fā)送Rep命令，開(kāi)啟一個(gè)新的時(shí)隙。所有存活標(biāo)簽收到Rep命令后將計(jì)數(shù)器減1，如果標(biāo)簽隨機(jī)數(shù)為0，立即發(fā)送ID號(hào)，否則進(jìn)入ARBITRATE狀態(tài)。

（4） 完成本幀所有時(shí)隙，或者閱讀器根據(jù)空時(shí)隙、碰撞時(shí)隙數(shù)量確定調(diào)整Q參數(shù)后，開(kāi)啟一個(gè)新幀繼續(xù)對(duì)未識(shí)別的標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，直到完成全部標(biāo)簽識(shí)別，結(jié)束標(biāo)簽識(shí)別處理。

2.3 人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)

在啟動(dòng)安全監(jiān)控功能前提下，人-包遠(yuǎn)離檢測(cè)通過(guò)置于書(shū)包內(nèi)的閱讀器對(duì)隱蔽于學(xué)生衣物上的電子標(biāo)簽進(jìn)行循環(huán)識(shí)別，當(dāng)閱讀器能夠正常識(shí)別到標(biāo)簽時(shí)，表明書(shū)包與學(xué)生間的距離較近，當(dāng)連續(xù)三次識(shí)別不到標(biāo)簽時(shí)，表明書(shū)包與學(xué)生距離較遠(yuǎn)，有可能書(shū)包被搶奪或者被犯罪分子故意丟棄，此時(shí)，立即向家長(zhǎng)手機(jī)發(fā)送告警信息和實(shí)時(shí)位置信息，以便于家長(zhǎng)進(jìn)一步采取報(bào)警措施尋找，流程圖如圖5所示。

2.4 電子圍欄

電子圍欄模塊包含遠(yuǎn)程家長(zhǎng)手機(jī)APP、電子地圖和置于書(shū)包內(nèi)的GPS模塊等。家長(zhǎng)手機(jī)利用APP設(shè)置電子圍欄范圍，通過(guò)手機(jī)APP或者書(shū)包上安裝的紅色按鈕安全功能均可以啟動(dòng)電子圍欄功能，一旦電子圍欄功能被啟動(dòng)，GPS模塊間隔2秒向手機(jī)APP發(fā)送位置信息。手機(jī)端收到位置信息與電子圍欄設(shè)置的范圍進(jìn)行比對(duì)，如果超出范圍就告警，否則不告警，流程圖如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能課表檢測(cè)提醒與安全書(shū)包控制系統(tǒng)具有防拐騙和智能提醒兩大功能，防拐騙將電子圍欄、人-包遠(yuǎn)離提醒、跌摔檢測(cè)相結(jié)合，加強(qiáng)了人販破解的難度，顯著提高了學(xué)生上學(xué)或放學(xué)回家路上的安全性，能夠?qū)Ψ缸镓溩悠鸬綐O大的震懾作用。

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