◆沈 潔 沈丁琦

基于藍(lán)牙手環(huán)的學(xué)生綜合素質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆沈 潔 沈丁琦

(無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 214000)

學(xué)生的綜合素質(zhì)全面發(fā)展是各個(gè)學(xué)校不斷努力的方向，所有學(xué)校都在維持著德育、體育、智育之間的平衡，但由于學(xué)生群體人口密集度大，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的管理與監(jiān)測(cè)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)為學(xué)校智能化的管理提供了技術(shù)支持，其中最適應(yīng)學(xué)生階段使用的便是智能藍(lán)牙手環(huán)。通過(guò)智能手環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生體質(zhì)等綜合素質(zhì)的的監(jiān)測(cè)，對(duì)學(xué)校管理以及學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)綜合體質(zhì)檔案的形成有著重大意義，在學(xué)校管理工作中運(yùn)用也有著高度的可行性。為尋求構(gòu)建學(xué)校學(xué)生管理的新的“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)”模式的理論和方法，實(shí)現(xiàn)智慧化校園以及數(shù)字化校園的建設(shè)，綜合素質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)是當(dāng)下學(xué)校學(xué)生管理工作創(chuàng)新的新方向。

通訊技術(shù)；藍(lán)牙；基站；監(jiān)測(cè)平臺(tái)

0 引言

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)交融大發(fā)展的時(shí)代背景下，藍(lán)牙智能電子手環(huán)已經(jīng)成為最火熱的互聯(lián)網(wǎng)元素之一。本文設(shè)計(jì)了一款綜合素質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生日常睡眠質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)體質(zhì)情況、學(xué)生出勤情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比和計(jì)算，推測(cè)出學(xué)生運(yùn)動(dòng)卡路里消耗，統(tǒng)計(jì)學(xué)生上課以及日常課外活動(dòng)的簽到信息。該平臺(tái)通過(guò)智能手環(huán)的引入，可實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生運(yùn)動(dòng)指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)卡路里及心率的波動(dòng)，可隨時(shí)掌握體育課堂運(yùn)動(dòng)課程設(shè)置是否合理，目標(biāo)是否可以達(dá)成，學(xué)生的身體適應(yīng)性是否可以承受等等，對(duì)于學(xué)校改善管理方法以及了解學(xué)生實(shí)時(shí)健康提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1，系統(tǒng)由智能藍(lán)牙手環(huán)和藍(lán)牙收發(fā)基站以及綜合平臺(tái)構(gòu)成。通過(guò)在校園內(nèi)布置藍(lán)牙采集環(huán)境，實(shí)時(shí)接收學(xué)生手環(huán)采集的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至服務(wù)器端，服務(wù)器分析處理接收數(shù)據(jù)，最終以可視化、簡(jiǎn)便化的形式呈現(xiàn)在綜合管理平臺(tái)上。

2 信息采集設(shè)備功能及設(shè)計(jì)

2.1 通訊技術(shù)選擇

對(duì)于學(xué)生手環(huán)的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到適應(yīng)學(xué)校的實(shí)際使用情況，目前市面上的手環(huán)的通訊技術(shù)主要有WiFi、藍(lán)牙、Zigbee、3G/4G四種。Zigbee手環(huán)主要用以身份識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)簽到點(diǎn)名功能，不能適用于整體的系統(tǒng)架構(gòu)。這里對(duì)比下藍(lán)牙手環(huán)和3G/4G手環(huán)以及WiFi手環(huán)。首先，3G/4G模塊以及WiFi是為了高速通信設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)出來(lái)的協(xié)議很復(fù)雜，耗電量很高，硬件模塊體積大；而藍(lán)牙模塊具有體積小，功耗低的特點(diǎn)，省電并且便宜。其次，3G/4G的輻射是瓦級(jí)的，WiFi是100毫瓦級(jí)的，而藍(lán)牙是毫瓦級(jí)的，甚至更低。最后，WiFi芯片雖然便宜（因?yàn)榱看螅枰芏嗯涮灼骷?，如CPU、存儲(chǔ)……，所以使用WiFi的成本并不低。

綜上所述，適應(yīng)于學(xué)生綜合素質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)可根據(jù)藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)模塊進(jìn)行。

2.2 藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站硬件設(shè)計(jì)

2.2.1藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站功能目標(biāo)

依托于智能天線和射頻管理技術(shù)， 藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離藍(lán)牙覆蓋，達(dá)到 300 米無(wú)遮擋覆蓋或平均穿透 3 堵墻的效果。只有達(dá)到此功能，才能實(shí)現(xiàn)學(xué)校范圍內(nèi)的藍(lán)牙環(huán)境無(wú)縫覆蓋。

藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站需要通過(guò) WiFi，3G/4G 或以太網(wǎng)連接到 LAN 或 Internet，從而實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境的綜合部署。并支持多種安裝方式，適用于室外，防水，防雨，防暴曬，防塵。設(shè)備功耗不超過(guò)10W，需要支持POE供電，不間斷運(yùn)行需考慮功耗電能問(wèn)題。

2.2.2藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站硬件指標(biāo)

為滿(mǎn)足藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站功能性目標(biāo)，硬件模塊設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)。

（1）處理器和內(nèi)存

CPU：4核ARM Cortex-A5，最高主頻1.5GHz CPU；內(nèi)存：256MB DDR3，存儲(chǔ)：4GB eMMC。

（2）藍(lán)牙參數(shù)

藍(lán)牙芯片：2路CSR8811；藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)：支持并遵循 Bluetooth LE 4.0/4.1/4.2；LE 并發(fā)連接數(shù)：至多22個(gè)；工作頻率：ISM 頻段2.400~2.4835GHz；雙工模式：時(shí)分雙工（TDD）；傳輸速率：2x1Mbps；發(fā)射功率Tx：+8 到+20dbm，持續(xù)可調(diào)4db梯度；接收靈敏度Rx：-105dbm； 天線增益：5dbi 垂直極化。

（3）Wi-Fi 參數(shù) (802.11 a/b/g/n)

頻率：2.4 GHz；發(fā)射功率：17.5 至 12.5dBm；接收靈敏度：-96 至-71dBm；天線：內(nèi)置雙頻全向天線。

（4）安全服務(wù)

支持藍(lán)牙 4.1 安全標(biāo)準(zhǔn)；128 位AES加密；路由器配置頁(yè)面有密碼保護(hù)。

（5）網(wǎng)絡(luò)連接

集成 Wi-Fi 802.11b/g/n (2.4GHz)；支持 10/100 BASE-T 以太網(wǎng)；支持 USB 3G/4G dongle 的上行模式。

（6）供電方式為802.3 af/at 標(biāo)準(zhǔn)PoE網(wǎng)線供電。

2.3 藍(lán)牙手環(huán)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1手環(huán)藍(lán)牙傳輸模塊設(shè)計(jì)

手環(huán)與藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站之間的通信采用藍(lán)牙方式。HC-06 藍(lán)牙串口模塊可以使串口轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙，從而達(dá)到取代串口線的目的，藍(lán)牙串口可以將藍(lán)牙的通信轉(zhuǎn)化成虛擬串口。經(jīng)過(guò)這樣的轉(zhuǎn)換后，使用藍(lán)牙的Client程序 就可以像使用串口一樣操作藍(lán)牙，并通過(guò)這個(gè)把采集到的數(shù)值傳遞給手機(jī)端。該藍(lán)牙模塊工作電壓為3.3 V，波特率可調(diào)，根據(jù)需要本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)為9600，將其設(shè)置為從機(jī)模式與藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)基站進(jìn)行配對(duì)與通信。HC-06兼具低功耗的特點(diǎn)，配對(duì)過(guò)程中電流僅為30mA，配對(duì)完畢無(wú)論通信與否僅為8mA。如圖2。

圖2 藍(lán)牙模塊電路示意圖

2.3.2手環(huán)心率模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電路采用紅色發(fā)光二極管發(fā)出的光線通過(guò)皮膚表面照射在受光窗，當(dāng)皮膚表面的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，LED通過(guò)皮膚表面到達(dá)受光窗的光線也隨之改變，這樣光電流也發(fā)生波動(dòng)性變化，從而采集到心臟脈搏 信號(hào)，具體電路如圖3所示。其中，芯片引腳輸出波動(dòng)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器的反相輸入端，為避免煩擾信號(hào)傳到輸入端，用電容組成的雙極性耦合電容將其隔離。C1和R1構(gòu)成低通濾波器，去除高頻信號(hào)，截止頻率為3.33Hz。通過(guò)電壓比較器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入單片機(jī)。其中，電位器用于調(diào)節(jié)電壓比較器的參考電壓，以消除不同人體皮膚的差異性。如圖3。

圖3 心率傳感器電路示意圖

2.3.3手環(huán)運(yùn)動(dòng)步數(shù)模塊設(shè)計(jì)

手環(huán)記步電路采用三軸加速度傳感器，該傳感器每個(gè)軸分別對(duì)應(yīng)有一個(gè)十六位的AD轉(zhuǎn)換器，測(cè)量的范圍達(dá)到+16g,最高分辨率3.9mg/LSB可以測(cè)量不到1.0°的傾斜角變化。配置了一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗，提供智能健身手環(huán)的待機(jī)時(shí)間。當(dāng)芯片處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的加速度 計(jì)和陀螺儀可以分別采集x、y、z三軸上由動(dòng)作引起的電壓值變化，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后再通過(guò) I2C 總線將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部控制芯片。由于此時(shí)采集的數(shù)值不是實(shí)際測(cè)量的角速度值和加速度值，所以必須經(jīng)過(guò)編程按照一定的比例關(guān)系對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能得到實(shí)際的角速度值和加速度值。

3 管理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)

運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率、運(yùn)動(dòng)量等，讓學(xué)校、老師實(shí)時(shí)了解和跟進(jìn)每個(gè)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)情況和身體狀況，如圖4所示為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖。

（1）基礎(chǔ)生理數(shù)據(jù)分類(lèi)

運(yùn)動(dòng)指數(shù)：是通過(guò)手環(huán)記錄的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的。

卡路里：是通過(guò)運(yùn)動(dòng)指數(shù)利用一定的方法計(jì)算出來(lái)的。

心率指數(shù)：是通過(guò)體育課上運(yùn)動(dòng)激烈程度按秒實(shí)時(shí)對(duì)學(xué)生心率變化進(jìn)行的監(jiān)測(cè)值。

（2）對(duì)分散的學(xué)生信息進(jìn)行集中采集管理

同時(shí)監(jiān)測(cè)上傳體育課每位學(xué)生的體征，如心率、跑步步數(shù)、卡路里消耗等，及時(shí)排查問(wèn)題學(xué)生，科學(xué)指導(dǎo)體育訓(xùn)練，做到“有據(jù)可依”。

（3）為學(xué)生建立持續(xù)性和數(shù)據(jù)化的運(yùn)動(dòng)電子檔案

建立專(zhuān)門(mén)的學(xué)生體育信息數(shù)據(jù)庫(kù)，采集和記錄每一次體育課和體測(cè)數(shù)據(jù)，可對(duì)學(xué)生體質(zhì)變化進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤。

（4）提升體育教學(xué)水平和管理水平

形成更好的體育課評(píng)價(jià)體系，完善體育課成績(jī)采集和評(píng)測(cè)機(jī)制。實(shí)現(xiàn)學(xué)校的特色教學(xué)和智能教學(xué)。

圖4 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖

3.2 睡眠質(zhì)量管理

睡眠不足給學(xué)生帶來(lái)的不良影響是顯而易見(jiàn)的。睡眠是人的基本生理功能，對(duì)身體和智力的發(fā)育有至關(guān)重要的意義。手環(huán)可采集學(xué)生睡眠時(shí)間、深度睡眠時(shí)長(zhǎng)、淺度睡眠時(shí)長(zhǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合個(gè)人體測(cè)數(shù)據(jù)，為學(xué)生的睡眠質(zhì)量狀況提供數(shù)據(jù)參考。如圖5所示為睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)示意圖。

圖5 睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)示意圖

3.3 簽到考勤管理

在校園的運(yùn)營(yíng)管理的過(guò)程中，核心工作是教學(xué)工作的管理，而在信息化的教學(xué)管理中，課程出勤的管理一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

手環(huán)內(nèi)置的藍(lán)牙芯片與應(yīng)用環(huán)境部署的系統(tǒng)共同構(gòu)成學(xué)生室內(nèi)、室外的簽到（包括自動(dòng)點(diǎn)名）體系。應(yīng)用環(huán)境包括校門(mén)、宿舍，訓(xùn)練場(chǎng)、操場(chǎng)等。運(yùn)用信息化、智能化的方法輔助校方，提高校園管理效率，釋放管理工作，讓學(xué)校有更多的精力投入到教學(xué)工作中。協(xié)助校方將辦學(xué)理念從管理到服務(wù)的轉(zhuǎn)變，無(wú)論是學(xué)校的教學(xué)資源還是基礎(chǔ)設(shè)施都能更好的為學(xué)生學(xué)習(xí)提供服務(wù)。運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將系統(tǒng)積累的日常數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘整理，為校方的決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。如圖6所示為簽到考勤管理示意圖。

圖6 簽到考勤管理示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的學(xué)生綜合素質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)，依托藍(lán)牙通訊技術(shù)推動(dòng)學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)的研究，通過(guò)應(yīng)用學(xué)生電子手環(huán)產(chǎn)品進(jìn)行學(xué)生運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，拓展了學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)采集途徑，搭建了以基本數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)共同構(gòu)成的學(xué)生成長(zhǎng)綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)參考體系。

該監(jiān)測(cè)平臺(tái)未來(lái)還可研究設(shè)計(jì)教師端的手環(huán)交互系統(tǒng)，通過(guò)和學(xué)生手環(huán)進(jìn)行匹配，可統(tǒng)計(jì)學(xué)生上課舉手的答題情況，課后老師可進(jìn)入網(wǎng)站后臺(tái)進(jìn)行查看本節(jié)學(xué)生答題情況，并根據(jù)答題結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師也可以在課堂上對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)，上傳至網(wǎng)站后臺(tái)。系統(tǒng)會(huì)采集記錄學(xué)生所有的答題記錄及評(píng)分結(jié)果，存入學(xué)生電子信息記錄系統(tǒng)，為學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

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