課表智能檢查與安全書包控制系統(tǒng)設(shè)計

王羽凡

摘要：現(xiàn)在中小學(xué)教輔書籍、作業(yè)、文具等學(xué)具繁多，而每天因為課表的變化學(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)和生活帶來不便。此外，學(xué)齡兒童、青少年的上學(xué)和出行安全問題，越來越受到家長和社會的廣泛關(guān)注。該文設(shè)計實現(xiàn)一種基于射頻識別技術(shù)的可根據(jù)課表檢測學(xué)具的智能安全學(xué)生書包，能夠記憶學(xué)生課表，根據(jù)當(dāng)天課表自動檢測貼有電子標(biāo)簽的課本、作業(yè)本以及其他文具是否帶齊或帶錯，并發(fā)出提醒信息，防止學(xué)生遺忘。同時，綜合利用電子圍欄、人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測、防跌摔監(jiān)測等技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生的安全保障。

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

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

1 概述

隨著生活節(jié)奏的加快，城市里的家長們工作很忙很累，大多數(shù)中小學(xué)生的家長上有老下有小，工作生活壓力都很大，不能保證每天按時接送孩子。而外面的世界并不安全，我們不時會聽到有孩子被人販子拐走的消息，學(xué)齡孩子的安全問題引起社會的廣泛關(guān)注[1-4]。文獻(xiàn)[5]實現(xiàn)了基于北斗定位的智能學(xué)生書包，可應(yīng)用于青少年學(xué)生群體安全保障領(lǐng)域，增強青少年學(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)計了基于GPS的兒童實時定位監(jiān)護系統(tǒng)，室外自動采用GPS定位，室內(nèi)自動采用LBS定位，確保任何時間任何地點都能夠?qū)崟r定位。此外，現(xiàn)在中小學(xué)教輔書籍、文具等學(xué)具繁多，而每天因為課表的變化學(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、緊急求救等多項智能化功能的學(xué)生專用智能安全書包。文獻(xiàn)[10]提供了一種安全書包，方便家長監(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包，設(shè)置有一個移動電源、衛(wèi)星定位裝置和無線通信發(fā)射裝置，指紋識別器和呼救按鈕同時被觸發(fā)時，衛(wèi)星定位裝置和無線通信發(fā)射裝置的供電線路接通，把書包的位置發(fā)送到指定號碼的手機上，便于家長進(jìn)行尋找，提高書包使用者的安全性。

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)生并故意丟棄書包時，單純依靠電子圍欄的安全監(jiān)測報警系統(tǒng)就會失效。本文設(shè)計實現(xiàn)基于射頻識別技術(shù)的智能安全書包控制系統(tǒng)，能夠記憶學(xué)生課表，并在學(xué)生早上出門時根據(jù)當(dāng)天課表自動檢測貼有電子標(biāo)簽的課本、作業(yè)本以及其他文具是否帶齊或帶錯，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別閱讀器和標(biāo)簽通信距離有限的特性實現(xiàn)人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測，并利用重力加速度感應(yīng)器實現(xiàn)跌摔檢測。如果犯罪分子將書包丟棄或者學(xué)生意外摔倒，系統(tǒng)同樣可以觸發(fā)短消息發(fā)送。該跌倒檢測裝置同時還作為書包被搶奪的一種補充檢測手段，通過人-包遠(yuǎn)離檢測和防跌摔檢測兩者之間的邏輯關(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

2.1 總體方案

課表智能檢測提醒與安全書包示意圖如圖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、射頻識別系統(tǒng)、GPS模塊、GSM系統(tǒng)、跌摔檢測模塊等組成。其中微處理器系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，包括控制處理器和必要的存儲器、時鐘等外圍器件。射頻識別系統(tǒng)由閱讀器、學(xué)具標(biāo)簽、人-包遠(yuǎn)離檢測標(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，用作智能檢測和課表比對，人-包遠(yuǎn)離檢測標(biāo)簽用于檢測人-包距離，當(dāng)距離大于閱讀器和標(biāo)簽的通信距離時，判斷為人-包分離，觸發(fā)短信發(fā)送。GPS模塊用于定位書包位置，并且在安全監(jiān)控模式下實時向遠(yuǎn)程手機發(fā)送位置信息，遠(yuǎn)程手機將位置信息與電子地圖預(yù)設(shè)的圍欄區(qū)域進(jìn)行對比，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)程手機以及運行在手機上的APP軟件，用于傳送GPS定位信息和其他安全報警信息。跌摔檢測模塊利用重力加速度傳感器檢測異常掉落情況，當(dāng)由于跌摔、搶奪等導(dǎo)致書包掉落時能及時檢測并通過GSM系統(tǒng)發(fā)送報警信息。

2.2 課表記憶和檢測

課表記憶和檢查提醒功能的啟動分為手動和自動兩種，自動檢測方式通過書包一側(cè)的黃色按鈕啟動，手動方式利用書包一側(cè)的藍(lán)色按鈕強制啟動。自動方式通過光敏電阻檢測書包內(nèi)的光線來實現(xiàn)，將光敏電阻置于書包內(nèi)，當(dāng)學(xué)生放入學(xué)具合上書包，書包內(nèi)光線變暗，光敏電阻感知光線信息并啟動閱讀器工作。

閱讀器采用高頻閱讀器和電子標(biāo)簽配合工作，可以同時識別多個標(biāo)簽，以實現(xiàn)同時檢測多個學(xué)具的功能。并且閱讀器有效距離可調(diào)，這樣便于分別對待不同學(xué)具的檢測，比如上音樂課用的吉他，無法裝在書包里，通常是背在肩上或者提在手里，需要比書包里的書本、文具等有更遠(yuǎn)的識別距離。

基于射頻識別技術(shù)的學(xué)具檢測原理圖如圖3所示。閱讀器采用MF RC50實現(xiàn)，電子標(biāo)簽采用符合ISO18000標(biāo)準(zhǔn)的無源被動式電子標(biāo)簽，這種標(biāo)簽本身不需要供電，工作時通過電感耦合方式從閱讀器獲取工作電源，延長了使用壽命，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，符合節(jié)能環(huán)保理念。射頻識別模塊利用無線方式工作，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸識別，方便對各種學(xué)具的檢測，滿足不同距離檢測的要求，同時還能實現(xiàn)人-包遠(yuǎn)離監(jiān)測。

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

電子標(biāo)簽具有批量識別優(yōu)勢，但是批量識別不可避免會產(chǎn)生標(biāo)簽碰問題，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Qfp參數(shù)的Query命令，標(biāo)簽通過隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個在[0～2Qfp]范圍內(nèi)的隨機數(shù)，并將此隨機數(shù)存入時隙計數(shù)器中。如果該隨機數(shù)為0，則向閱讀器發(fā)送自己的UID號，如果只有一個標(biāo)簽在該時隙發(fā)送UID號，則閱讀器能夠正確接收，稱為成功時隙；如果多余一個標(biāo)簽在該時隙發(fā)送UID號，則必然產(chǎn)生碰撞，稱為碰撞時隙；如果在該時隙里沒有標(biāo)簽發(fā)送UID號則稱為空閑時隙。

（2） 完成一個完整的標(biāo)簽識別后，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)簽識別過程。隨機數(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） 完成一個時隙處理后，閱讀器發(fā)送Rep命令，開啟一個新的時隙。所有存活標(biāo)簽收到Rep命令后將計數(shù)器減1，如果標(biāo)簽隨機數(shù)為0，立即發(fā)送ID號，否則進(jìn)入ARBITRATE狀態(tài)。

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

2.3 人-包遠(yuǎn)離檢測

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

2.4 電子圍欄

電子圍欄模塊包含遠(yuǎn)程家長手機APP、電子地圖和置于書包內(nèi)的GPS模塊等。家長手機利用APP設(shè)置電子圍欄范圍，通過手機APP或者書包上安裝的紅色按鈕安全功能均可以啟動電子圍欄功能，一旦電子圍欄功能被啟動，GPS模塊間隔2秒向手機APP發(fā)送位置信息。手機端收到位置信息與電子圍欄設(shè)置的范圍進(jìn)行比對，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

本文設(shè)計的智能課表檢測提醒與安全書包控制系統(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、跌摔檢測相結(jié)合，加強了人販破解的難度，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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