基于RFID技術的針對學生行為分析的研究

王 軍，周亞東

(海南職業(yè)技術學院，海南 海口 570216）

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在各行各業(yè)中應用的不斷深入，構建基于物聯(lián)網(wǎng)技術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，按照約定的協(xié)議，通過網(wǎng)絡把各種設備以及人員等要素連接起來，建設一個統(tǒng)一的校園綜合信息服務門戶，夠在某些方面進行深度應用的很少。

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

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

1 RFID技術簡介

RFID（Radio Frequency Identification）技術，是一種非接觸式自動識別技術，它技術成熟、應用廣泛 ；它的防沖撞性好、封裝任意性強、使用壽命長、可重復利用等特點，使其成為信息采集及管理系統(tǒng)設計的首選。

最基本的 RFID 系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器（識讀器）、天線三部分組成。RFID 系統(tǒng)通過讀寫器的 RS 232（或 RS 485）、GPRS、WiFi、藍牙、ZigBee 等接口形式與外部計算機（上位機系統(tǒng)）連接，進行數(shù)據(jù)交換。

電子標簽是由IC 芯片和無線通信天線組成的超微型模塊電路，常嵌入到標簽中，稱為電子標簽。其內(nèi)置的IC 芯片用于存儲數(shù)據(jù)，射頻天線用于和讀寫器進行通信。系統(tǒng)工作時， 讀寫器發(fā)出查詢（能量）信號，電子標簽（無源）收到查詢（能量）信號后將其一部分整流為直流電源供電子標簽內(nèi)的電路工作，另一部分能量信號被電子標簽內(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)懭腚娮訕撕炆系男畔ⅲ瑫r接受來自于主機系統(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簽和讀寫器間傳遞射頻信號（能量和數(shù)據(jù)）。

RFID 系統(tǒng)的基本工作原理是 ：由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號 ；當電子標簽進入發(fā)射天線有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，從而獲得能量而被激活，使電子標簽將自身編碼信息通過內(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簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線傳送到讀寫器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至主機系統(tǒng)進行相關處理。

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)應用場景的不同，RFID 技術支持多種射頻頻段， 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（900 MHz）比較適合在校園應用：在無源情況下， 其識別距離可以達到 10 米以上。

將電子標簽做成校徽（或胸卡）讓每個學生佩戴，在需要采集學生行蹤信息的地方安裝電子標簽識讀器 ；學生經(jīng)過每個數(shù)據(jù)采集點時，識讀器自動全部進行記錄 ；記錄的信息內(nèi)容很簡單，只需要“采集點 ID”、“學生 ID”和“采集時間”即可；要求將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到數(shù)據(jù)庫中以便處理和留檔。我們把數(shù)據(jù)采集點采集到的原始數(shù)據(jù)記為raw_data（采集點ID，學生ID，采集時間）。我們在這里假設每個學生都會佩戴?；?，至于怎樣避免學生不戴?；栈蛘咭蝗藬y帶多個校徽的情況出現(xiàn)，有更進一步的研究，不在本文討論范圍之內(nèi)。

雖然信息內(nèi)容簡單，但是隨著數(shù)據(jù)采集點的增多，乘以龐大的學生數(shù)量，數(shù)據(jù)量是非常大的。因此，數(shù)據(jù)采集點的布設和對數(shù)據(jù)的分析處理至關重要。

2.2 數(shù)據(jù)采集點布設

首先，在校園各出入口采用遠距離識讀器獲取學生進出校園的信息。通過這些信息可以分析出哪些學生經(jīng)常不在校， 及早發(fā)現(xiàn)長期不在?；蛘呤?lián)的學生。

其次，在需要了解學生情況的各個重要地點如圖書館、行政樓、教學樓、宿舍樓、實訓樓、體育館、食堂等的入口處布設中遠距離識讀器，以獲取學生經(jīng)過該點的信息。通過這些信息可以分析出學生的行蹤、喜歡經(jīng)常去的地方等情況。

再次，在需要局部了解學生情況的地點如會議禮堂、教室門口等布設近距離識讀器，或者通過使用手持式識讀器來采集學生詳情。這類信息主要作為考勤使用，可以跟前兩類采集點的全局信息分開存放。

2.3 數(shù)據(jù)處理

raw_data 只是記錄采集點采集時刻剛好在其范圍內(nèi)的學生的數(shù)據(jù)，一個采集點對同一個學生就會存在多條數(shù)據(jù)記錄， 必須對 raw_data 進行處理，變成記錄學生行蹤的 trace_dat（a 學生ID，動作時間，動作行為，動作地點）。其中，動作行為可以是“到達”、“離開”或“經(jīng)過”。處理過的數(shù)據(jù)移到用于存檔的base_data 中，數(shù)據(jù)格式與raw_data 相同。具體處理過程如下：

(1)初始化工作。比如，判定卡是否離開的有效時間間隔設為 d。

(2)采用定時器按固定周期對 raw_data 進行循環(huán)處理。

(3)在每個循環(huán)里，對每個采集點循環(huán)，查詢所有記錄，

進行如下處理：

①如果到達記錄尾部，則退出循環(huán)。

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

③如果當前記錄的采集時間與當前時間相差大于 d，則認為該學生已經(jīng)離開該采集點。產(chǎn)生一條行蹤記錄，根據(jù)該學生最后一次記錄的狀態(tài) s，設定動作行為為“到達”（s 位于采集點所代表的場所以外）、“離開”（s 位于采集點所代表的場所之

內(nèi)）或“經(jīng)過”（采集點所代表的場所為孤立點）。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 處理完所有采集點的記錄之后，等待下一個時鐘周期的到來。

處理后生成的數(shù)據(jù)結果如圖 2 所示。

圖 2 trace_data 數(shù)據(jù)記錄示例

如果要記錄學生考勤，則必須將學生的課程表、請假等信息錄入到系統(tǒng)中，通過相互參照才能生成學生的考勤記錄， 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)的學生行為分析，功能更全面， 已有文獻進行了論述 [1]，此處不再重復這方面的研究。本處只對學生行蹤數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)的學生行為分析進行研究，當然也可以將該研究的內(nèi)容合并到將來的一卡通系統(tǒng)之中。我們主要用到時間序列分析和關聯(lián)分析，具體的幾個主要行為分析模型如下：

第一，通過對學生進出校門的信息進行統(tǒng)計和分析，可以知道哪些學生經(jīng)常不在校，及早發(fā)現(xiàn)長期不在?；蛘呤?lián)的學生。模型可分為最后一次離開校門的時間超出范圍和一段時間內(nèi)不在校時間超出范圍兩種情況。

第二，通過統(tǒng)計每個學生在各關注地點如圖書館、行政樓、教學樓、宿舍樓、實訓樓、體育館、食堂等處逗留的總時間， 了解學生在校學習、活動、生活等方面的概況。同樣，可以按地點統(tǒng)計出學生對該場所或設施的使用頻度情況。

第三，通過關聯(lián)分析，比如哪些學生總是一同進出大部分場合，可以判定這些學生屬于一個小團體，掌握這些情況更有利于學生的管理 ；哪些學生總是獨來獨往，可以判定這些學生可能比較孤僻，需要多加關注，增加更多的人文關懷。

第四，對于局部或臨時活動，比如公共課堂、考試或會議等，除了可作為考勤數(shù)據(jù)使用之外，還可以通過時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議的綜合評價等。

當然，根據(jù)學生管理的具體需要，通過抽取其他關于群體或者個體的特征信息，可以構建更多的行為分析模型。

結 語

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