智慧校園學生手環(huán)應用選型技術評析

廣州拙進通信技術有限公司 高遠

引言

      近年來，各地智慧校園建設如火如荼，在智慧校園建設中，客戶已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)以IC卡為核心的一卡通應用，而是希望建設涵蓋無感知出入?？记?、班級考勤、校內(nèi)定位、運動/健康檢測、食堂消費、門禁、儲物柜管理等綜合應用解決方案。同時，隨著消費級可穿戴設備的普及，客戶希望學生或者老師的身份識別不僅是使用傳統(tǒng)IC卡，而是使用學生手環(huán)，實現(xiàn)綜合應用。

     隨著新高中考改革逐步擴大，校園客戶對上述需求愈加強烈。各地都有學校選擇不同技術方案進行了建設試點，有成功，有失敗。

     本文對前期試點的主要技術方案以及用戶體驗做技術分析，供教育主管部門、校園客戶、集成商參考。偏頗之處，歡迎指正。

學生手環(huán)主要功能

目前，學生手環(huán)功能上大致分為2種：

A.帶GPS定位的電話手表。 此形態(tài)產(chǎn)品包括GPS定位、電話、短信、NFC一卡通等應用功能。由于GPS定位在校園內(nèi)使用精度不準，有月租費、電話功能涉及到課堂偵聽等問題，難以在校園大規(guī)模普及，以家長自行購買為主。

B.智能學生手環(huán)。此形態(tài)產(chǎn)品主要實現(xiàn)校門出入考勤、校內(nèi)定位、計步、心率、NFC一卡通、電子表等功能。是目前智慧校園選擇的主要的可穿戴產(chǎn)品形態(tài)。下面主要對學生手環(huán)在校園應用中的技術方案進行分析。

學生手環(huán)在智慧校園應用場景與用戶體驗分析

1.校門無感知進出考勤：學生批量通過校門時自動進行無感識別考勤。用戶體驗的核心是考勤進出識別速度與進出判斷準確率。

2.班級考勤：班級考勤的核心體驗在于考勤識別的速度以及相鄰教室間的誤判率。

3.位置管理：區(qū)域批量識別的速度與準確率。如教學樓二樓與三樓之間不會誤判，不會出現(xiàn)學生在相鄰樓層間漂移的現(xiàn)象。

4.計步、心率數(shù)據(jù)采集速度：設備采集手環(huán)計步、心率數(shù)據(jù)的采集速度。

5.一卡通：刷卡時的用戶體驗，速度快，識別高度好。

6.充電續(xù)航能力：充電一次至少使用30天這是對學生手環(huán)的基本要求。

學生手環(huán)技術分析比較

     前期學校市場學生學生手環(huán)主要有2種技術方案，一種是低功耗藍牙BLE4.0單通道方案。一種是RFID+BLE雙通道方案。下面主要對這兩種技術方案基本原理與技術性能進行分析。

     低功耗藍牙BLE4.0單通道方案采用消費級的標準藍牙手環(huán)方案，配合藍牙基站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信。系統(tǒng)原理圖如下：

前期采用此技術方案的手環(huán)在實際應用中用戶體驗較差，主要表現(xiàn)如下：

1.校門無感知進出考勤識別準確率低：

學生批量進出校門時會出現(xiàn)識別不全，識別準確率低，受校園環(huán)境的影響，此技術方案校門無感考勤識別準確率低于60%。 這個指標校方與家長難以接受。前期試點項目失敗原因中這是主因。

2.班級考勤

班級考勤中相鄰教室誤判率高。此方案必須結合學生名單做過濾才可以用于班級考勤，無法反映教室學生實際情況。

3.區(qū)域定位：

此應用場景，BLE單通道手環(huán)無法避免學生在相鄰樓層間漂移的現(xiàn)象。

4.計步、心率數(shù)據(jù)采集速度：

此應用場景中，設備采集手環(huán)計步、心率數(shù)據(jù)需要學生在教室上課時長時間穩(wěn)定在固定區(qū)域里才能采集完整，采集速度慢。

5.充電續(xù)航能力：

要實現(xiàn)較好校園用戶體驗的情況下，BLE手環(huán)一次充電的續(xù)航時間難以超過15天。

BLE單通道學生手環(huán)在校園應用場景中用戶體驗不佳的核心原因是BLE技術在校園場景中存在原理性缺陷。簡要分析如下：

1.BLE單通道學生手環(huán)利用藍牙信號進行區(qū)域識別與進出判斷，而BLE信號是2.4G微波波段，信號本身的傳播沒有明確的覆蓋邊界。這個在我們平時手機連接藍牙手環(huán)或者耳機有直觀的體驗，信號的距離時遠時近。這是BLE單通道手環(huán)在校門進出判斷、班級考勤、區(qū)域定位應用中準確率很低的一個根本原因。

2.BLE基站獲取BLE單通道手環(huán)數(shù)據(jù)是通過獲取手環(huán)的廣播數(shù)據(jù)以及連接通信數(shù)據(jù)。為了提高識別速度，手環(huán)需要以較高的廣播頻率進行廣播，這個是BLE手環(huán)用于校園場景續(xù)航力差的主要原因。

RFID+BLE雙通道學生手環(huán)方案

       RFID+BLE雙通道學生手環(huán)方案采用了RFID與BLE雙通信通道。校園場景應用中主要采用RFID通信通道，BLE通信通道主要用于與手機BLE進行通信，實現(xiàn)非校園場景下標準的運動手環(huán)功能。

       RFID+BLE雙通道學生手環(huán)技術在校園應用場景中用戶體驗分析如下：

1.校門無感知進出考勤識別準確率高

采用RFID技術實現(xiàn)校門無感知考勤，可以實現(xiàn)99.6%以上的考勤識別率。RFID通信技術可以實現(xiàn)精準的信號覆蓋邊界，配合良好設計的進出判斷算法，可以實現(xiàn)接近100%的校門考勤準確率。

2.班級考勤

采用RFID技術可以實現(xiàn)100%的班級實時考勤準確率，不依賴課表名單過濾，不會出現(xiàn)相鄰教室誤判。 其原理與校門考勤類似。

3.區(qū)域定位

由于RFID信號具備良好的信號覆蓋邊界，不存在無線信號的漂移，也就不存在學生在樓層間漂移的現(xiàn)象。

4.計步、心率數(shù)據(jù)采集速度

計步、心率數(shù)據(jù)通過RFID通道采集傳輸，使用專門優(yōu)化的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)快速大批量的數(shù)據(jù)采集。 

5.充電續(xù)航能力：

RFID+BLE雙通道學生手環(huán)的BLE部分，平時處于非工作狀態(tài)，BLE廣播頻率可以設定較低，而RFID通道通信部分平時處于關閉狀態(tài)，只在校門、教室等特定區(qū)域短時工作，每次持續(xù)時間為毫秒級，整體功耗大幅下降，可以實現(xiàn)一次充電，使用30天的應用體驗。

技術比較匯總

基于上述技術原理分析， BLE單通道學生手環(huán)技術與RFID+BLE雙通道學生手環(huán)技術比較匯總如下表。