基于RFID技術(shù)的針對(duì)學(xué)生行為分析的研究

王軍++周亞?wèn)|

摘 要：基于RFID技術(shù)的學(xué)生管理系統(tǒng)，可以通過(guò)RFID技術(shù)將學(xué)生在各種重要場(chǎng)合（按需設(shè)置）的行蹤記錄下來(lái)；基于這些行蹤記錄信息，可以對(duì)學(xué)生的行為進(jìn)行分析，掌握學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活等方面的行為習(xí)慣，從而更加有效地進(jìn)行學(xué)生管理，也為學(xué)校教學(xué)和管理工作的改進(jìn)提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；智慧校園；學(xué)生管理系統(tǒng)；行為分析

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中應(yīng)用的不斷深入，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園逐漸成為教育行業(yè)信息化發(fā)展的方向。然而，在初期的應(yīng)用案例中，基本上都是利用傳感器、RFID、視頻監(jiān)控等感知技術(shù)，按照約定的協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把各種設(shè)備以及人員等要素連接起來(lái)，建設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的校園綜合信息服務(wù)門戶，夠在某些方面進(jìn)行深度應(yīng)用的很少。

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中應(yīng)用不夠深入的現(xiàn)狀，提出一種基于RFID技術(shù)的學(xué)生行為分析的思路，為提升智慧校園應(yīng)用水平作參考。

基于RFID技術(shù)的學(xué)生管理系統(tǒng)，不管是智慧校園的組成部分，還是單獨(dú)建立的應(yīng)用，對(duì)提高學(xué)生的管理水平和管理效率，都起到了很大的作用。

1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛；它的防沖撞性好、封裝任意性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，使其成為信息采集及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

最基本的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器（識(shí)讀器）、天線三部分組成。RFID系統(tǒng)通過(guò)讀寫器的RS 232（或RS 485）、GPRS、WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等接口形式與外部計(jì)算機(jī)（上位機(jī)系統(tǒng)）連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

電子標(biāo)簽是由IC芯片和無(wú)線通信天線組成的超微型模塊電路，常嵌入到標(biāo)簽中，稱為電子標(biāo)簽。其內(nèi)置的IC芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，射頻天線用于和讀寫器進(jìn)行通信。系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器發(fā)出查詢（能量）信號(hào)，電子標(biāo)簽（無(wú)源）收到查詢（能量）信號(hào)后將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，另一部分能量信號(hào)被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回讀寫器。電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。

讀寫器用于讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽上的信息，同時(shí)接受來(lái)自于主機(jī)系統(tǒng)的控制指令，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。讀寫器通常由射頻接口和邏輯控制單元兩部分組成。

天線的作用是在電子標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號(hào)（能量和數(shù)據(jù)）。

RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：由讀寫器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào)；當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線有效工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量而被激活，使電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過(guò)內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；讀寫器的接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)天線傳送到讀寫器信號(hào)處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，RFID技術(shù)支持多種射頻頻段，主要有低頻125 kHz和134 kHz、高頻13.56 MHz、超高頻433 MHz和900 MHz、微波2.4 GHz等。綜合考慮各種因素，UHF頻段（900MHz）比較適合在校園應(yīng)用：在無(wú)源情況下，其識(shí)別距離可以達(dá)到10米以上。

將電子標(biāo)簽做成?；眨ɑ蛐乜ǎ┳屆總€(gè)學(xué)生佩戴，在需要采集學(xué)生行蹤信息的地方安裝電子標(biāo)簽識(shí)讀器；學(xué)生經(jīng)過(guò)每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)時(shí)，識(shí)讀器自動(dòng)全部進(jìn)行記錄；記錄的信息內(nèi)容很簡(jiǎn)單，只需要“采集點(diǎn)ID”、“學(xué)生ID”和“采集時(shí)間”即可；要求將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中以便處理和留檔。我們把數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集到的原始數(shù)據(jù)記為raw_data （采集點(diǎn)ID，學(xué)生ID，采集時(shí)間）。我們?cè)谶@里假設(shè)每個(gè)學(xué)生都會(huì)佩戴?；?，至于怎樣避免學(xué)生不戴校徽或者一人攜帶多個(gè)?；盏那闆r出現(xiàn)，有更進(jìn)一步的研究，不在本文討論范圍之內(nèi)。

雖然信息內(nèi)容簡(jiǎn)單，但是隨著數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的增多，乘以龐大的學(xué)生數(shù)量，數(shù)據(jù)量是非常大的。因此，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布設(shè)和對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理至關(guān)重要。

2.2 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布設(shè)

首先，在校園各出入口采用遠(yuǎn)距離識(shí)讀器獲取學(xué)生進(jìn)出校園的信息。通過(guò)這些信息可以分析出哪些學(xué)生經(jīng)常不在校，及早發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期不在?；蛘呤?lián)的學(xué)生。

其次，在需要了解學(xué)生情況的各個(gè)重要地點(diǎn)如圖書館、行政樓、教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)訓(xùn)樓、體育館、食堂等的入口處布設(shè)中遠(yuǎn)距離識(shí)讀器，以獲取學(xué)生經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的信息。通過(guò)這些信息可以分析出學(xué)生的行蹤、喜歡經(jīng)常去的地方等情況。

再次，在需要局部了解學(xué)生情況的地點(diǎn)如會(huì)議禮堂、教室門口等布設(shè)近距離識(shí)讀器，或者通過(guò)使用手持式識(shí)讀器來(lái)采集學(xué)生詳情。這類信息主要作為考勤使用，可以跟前兩類采集點(diǎn)的全局信息分開存放。

2.3 數(shù)據(jù)處理

raw_data只是記錄采集點(diǎn)采集時(shí)刻剛好在其范圍內(nèi)的學(xué)生的數(shù)據(jù)，一個(gè)采集點(diǎn)對(duì)同一個(gè)學(xué)生就會(huì)存在多條數(shù)據(jù)記錄，必須對(duì)raw_data進(jìn)行處理，變成記錄學(xué)生行蹤的trace_data（學(xué)生ID，動(dòng)作時(shí)間，動(dòng)作行為，動(dòng)作地點(diǎn)）。其中，動(dòng)作行為可以是“到達(dá)”、“離開”或“經(jīng)過(guò)”。處理過(guò)的數(shù)據(jù)移到用于存檔的base_data中，數(shù)據(jù)格式與raw_data相同。具體處理過(guò)程如下：

（1）初始化工作。比如，判定卡是否離開的有效時(shí)間間隔設(shè)為d。

（2）采用定時(shí)器按固定周期對(duì)raw_data進(jìn)行循環(huán)處理。

（3）在每個(gè)循環(huán)里，對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)循環(huán)，查詢所有記錄，進(jìn)行如下處理：

①如果到達(dá)記錄尾部，則退出循環(huán)。

②如果有相同卡號(hào)的記錄存在，則將該卡號(hào)除了最后一條采集記錄之外的其他記錄移到base_data中去。

③如果當(dāng)前記錄的采集時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間相差大于d，則認(rèn)為該學(xué)生已經(jīng)離開該采集點(diǎn)。產(chǎn)生一條行蹤記錄，根據(jù)該學(xué)生最后一次記錄的狀態(tài)s，設(shè)定動(dòng)作行為為“到達(dá)”（s位于采集點(diǎn)所代表的場(chǎng)所以外）、“離開”（s位于采集點(diǎn)所代表的場(chǎng)所之內(nèi)）或“經(jīng)過(guò)”（采集點(diǎn)所代表的場(chǎng)所為孤立點(diǎn)）。將該條采集記錄移到base_data中去。

④移到下一條記錄，轉(zhuǎn)到①繼續(xù)。

（4）0處理完所有采集點(diǎn)的記錄之后，等待下一個(gè)時(shí)鐘周期的到來(lái)。

處理后生成的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示。

圖2 trace_data數(shù)據(jù)記錄示例

如果要記錄學(xué)生考勤，則必須將學(xué)生的課程表、請(qǐng)假等信息錄入到系統(tǒng)中，通過(guò)相互參照才能生成學(xué)生的考勤記錄，此處不再詳述。

3 建立行為分析模型

基于校園一卡通全數(shù)據(jù)的學(xué)生行為分析，功能更全面，已有文獻(xiàn)進(jìn)行了論述[1]，此處不再重復(fù)這方面的研究。本處只對(duì)學(xué)生行蹤數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)的學(xué)生行為分析進(jìn)行研究，當(dāng)然也可以將該研究的內(nèi)容合并到將來(lái)的一卡通系統(tǒng)之中。我們主要用到時(shí)間序列分析和關(guān)聯(lián)分析，具體的幾個(gè)主要行為分析模型如下：

第一，通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)出校門的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，可以知道哪些學(xué)生經(jīng)常不在校，及早發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期不在?；蛘呤?lián)的學(xué)生。模型可分為最后一次離開校門的時(shí)間超出范圍和一段時(shí)間內(nèi)不在校時(shí)間超出范圍兩種情況。

第二，通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)學(xué)生在各關(guān)注地點(diǎn)如圖書館、行政樓、教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)訓(xùn)樓、體育館、食堂等處逗留的總時(shí)間，了解學(xué)生在校學(xué)習(xí)、活動(dòng)、生活等方面的概況。同樣，可以按地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)出學(xué)生對(duì)該場(chǎng)所或設(shè)施的使用頻度情況。

第三，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，比如哪些學(xué)生總是一同進(jìn)出大部分場(chǎng)合，可以判定這些學(xué)生屬于一個(gè)小團(tuán)體，掌握這些情況更有利于學(xué)生的管理；哪些學(xué)生總是獨(dú)來(lái)獨(dú)往，可以判定這些學(xué)生可能比較孤僻，需要多加關(guān)注，增加更多的人文關(guān)懷。

第四，對(duì)于局部或臨時(shí)活動(dòng)，比如公共課堂、考試或會(huì)議等，除了可作為考勤數(shù)據(jù)使用之外，還可以通過(guò)時(shí)間序列人員變化情況分析，判斷課堂的受歡迎程度、考試題目的合理性以及會(huì)議的綜合評(píng)價(jià)等。

當(dāng)然，根據(jù)學(xué)生管理的具體需要，通過(guò)抽取其他關(guān)于群體或者個(gè)體的特征信息，可以構(gòu)建更多的行為分析模型。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)學(xué)生行蹤數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，從中構(gòu)建了幾種對(duì)學(xué)生管理非常有用的行為分析模型，可以單獨(dú)使用，也可以集成到智慧校園系統(tǒng)中使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王芳.利用校園一卡通系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字校園[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（8）：45-48.

[2]季順寧.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]陳軍.射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[4]李勇.基于RFID的學(xué)生管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].山西電子技術(shù)，2011（1）：64-65.