智慧校园可穿戴方案技术评析.docx

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智慧校园可穿戴方案技术评析

摘要：

本文主要对应用于智慧校园场景的智能穿戴设备技术与用户体验进行了比较分析，供教育部门、学校、集成商选型参考。

关键词：

RFID智能手环智能学生手环智慧校园

1.引言

近年来，各地智慧校园建设如火如荼，在智慧校园建设中，客户已经不再满足于传统以IC卡为核心的一卡通应用，而是希望建设涵盖无感知出入校考勤、班级考勤、校内定位、运动/健康检测、食堂消费、门禁、储物柜管理等综合应用解决方案。

同时，随着消费级可穿戴设备的普及，客户希望学生或者老师的身份识别不仅是使用传统IC卡，而是使用可穿戴手环，实现综合应用。

随着新高中考改革逐步扩大，校园客户对上述需求愈加强烈。

各地都有学校选择不同技术方案进行了建设试点，有成功，有失败。

本文对前期试点的主要技术方案以及用户体验做技术分析，供教育主管部门、校园客户、集成商参考。

偏颇之处，欢迎指正。

2.可穿戴设备形态与功能

目前，可穿戴设备主要以手环为主。

功能上大致分为2种：

l带GPS定位的电话手表。

此形态产品包括GPS定位、电话、短信、NFC一卡通等应用功能。

由于GPS定位在校园内使用精度不准，有月租费、电话功能涉及到课堂侦听等问题，难以在校园大规模普及，以家长自行购买为主。

l智能手环。

此形态产品主要实现校门出入考勤、校内定位、计步、心率、NFC一卡通、电子表等功能。

是目前智慧校园选择的主要的可穿戴产品形态。

下面主要对智能手环在校园应用中的技术方案进行分析。

3.智能手环在智慧校园应用场景与用户体验分析

l校门无感知进出考勤：

学生批量通过校门时自动进行无感识别考勤。

用户体验的核心是考勤进出识别速度与进出判断准确率。

l班级考勤：

班级考勤的核心体验在于考勤识别的速度以及相邻教室间的误判率。

l区域定位：

区域批量识别的速度与准确率。

如教学楼二楼与三楼之间不会误判，不会出现学生在相邻楼层间漂移的现象。

l计步、心率数据采集速度：

设备采集手环计步、心率数据的采集速度。

l一卡通：

刷卡时的用户体验，速度快，识别高度好。

l充电续航能力：

充电一次至少使用30天这是对学生手环的基本要求。

4.智能手环技术分析比较

前期学校市场学生智能手环主要有2种技术方案，一种是低功耗蓝牙BLE4.0单通道方案。

一种是RFID+BLE双通道方案。

下面主要对这两种技术方案基本原理与技术性能进行分析。

4.1.低功耗蓝牙BLE4.0单通道方案

低功耗蓝牙BLE4.0单通道方案采用消费级的标准蓝牙手环方案，配合蓝牙基站，实现数据采集与通信。

系统原理图如下：

前期采用此技术方案的手环在实际应用中用户体验较差，主要表现如下：

1）校门无感知进出考勤识别准确率低：

学生批量进出校门时会出现识别不全，识别准确率低，受校园环境的影响，此技术方案校门无感考勤识别准确率低于60%。

这个指标校方与家长难以接受。

前期试点项目失败原因中这是主因。

2）班级考勤

班级考勤中相邻教室误判率高。

此方案必须结合学生名单做过滤才可以用于班级考勤，无法反映教室学生实际情况。

3）区域定位：

此应用场景，BLE单通道手环无法避免学生在相邻楼层间漂移的现象。

4）计步、心率数据采集速度：

此应用场景中，设备采集手环计步、心率数据需要学生在教室上课时长时间稳定在固定区域里才能采集完整，采集速度慢。

5）充电续航能力：

要实现较好校园用户体验的情况下，BLE手环一次充电的续航时间难以超过15天。

BLE单通道智能手环在校园应用场景中用户体验不佳的核心原因是BLE技术在校园场景中存在原理性缺陷。

简要分析如下：

lBLE单通道智能手环利用蓝牙信号进行区域识别与进出判断，而BLE信号是2.4G微波波段，信号本身的传播没有明确的覆盖边界。

这个在我们平时手机连接蓝牙手环或者耳机有直观的体验，信号的距离时远时近。

这是BLE单通道手环在校门进出判断、班级考勤、区域定位应用中准确率很低的一个根本原因。

lBLE基站获取BLE单通道手环数据是通过获取手环的广播数据以及连接通信数据。

为了提高识别速度，手环需要以较高的广播频率进行广播，这个是BLE手环用于校园场景续航力差的主要原因。

4.2.RFID+BLE双通道智能手环方案

RFID+BLE双通道智能手环方案采用了RFID与BLE双通信通道。

校园场景应用中主要采用RFID通信通道，BLE通信通道主要用于与手机BLE进行通信，实现非校园场景下标准的运动手环功能。

RFID+BLE双通道智能手环技术在校园应用场景中用户体验分析如下：

1）校门无感知进出考勤识别准确率高

采用RFID技术实现校门无感知考勤，可以实现99.6%以上的考勤识别率。

RFID通信技术可以实现精准的信号覆盖边界，配合良好设计的进出判断算法，可以实现接近100%的校门考勤准确率。

详细技术原理可以参看拙进通信网站。

2）班级考勤

采用RFID技术可以实现100%的班级实时考勤准确率，不依赖课表名单过滤，不会出现相邻教室误判。

其原理与校门考勤类似。

3）区域定位

由于RFID信号具备良好的信号覆盖边界，不存在无线信号的漂移，也就不存在学生在楼层间漂移的现象。

4）计步、心率数据采集速度

计步、心率数据通过RFID通道采集传输，使用专门优化的通信协议，可以实现快速大批量的数据采集。

5）充电续航能力：

RFID+BLE双通道智能手环的BLE部分，平时处于非工作状态，BLE广播频率可以设定较低，而RFID通道通信部分平时处于关闭状态，只在校门、教室等特定区域短时工作，每次持续时间为毫秒级，整体功耗大幅下降，可以实现一次充电，使用30天的应用体验。

5.技术比较汇总

基于上述技术原理分析，BLE单通道智能手环技术与RFID+BLE双通道智能手环技术比较汇总如下表。

BLE4.0

RFID+BLE

用户体验

校门考勤

准确率不高、进出判断准确率不高

并发大，速度快、准确率高

教室考勤

可以识别。

无法保证100%。

无法解决邻教室误读。

识别速度快，2s内识别完60人。

识别准确率高。

100%有效识别。

无相邻教室误读问题

数据采集

需学生在教室长时间停留，才能采集

学生批量通过校门或者采集点时瞬间采集

功耗

功耗大，密集BLE讯号发送

绝大部分时间处于待机状态

服务器需求

服务器要求高

需要服务器端认证接入、读取控制

无需求，全部处理在前端设备处理完

技术原理

协议

通用协议

自主设计协议

硬件平台

通用手环方案

自主设计硬件平台

缺陷

通信原理级存在缺陷

原理上可以达到高识别率