高校课堂教学管理系统

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1引言

教学质量的提高需要从教学管理的理念和教学管理的手段入手。应用先进的管理手段是做好教学管理工作的基础之一。RFID技术是一项信息标识与自动获取技术，我们借助于教师证与学生证（工作证与学生证就是RFID卡）来标识个人的身份和相关信息，对学生上课与教师教课情况进行统计管理，从后台管理系统中可以实时动态了解全校各班学生的到课情况、教师上课情况，通过这些信息的实时掌握，来及时分析全校师生的教学情况，从而达到提高教学质量的目的。这是一项很有意义的工作。

2无线射频识别（RFID）技术

RFID的基本工作原理是利用空间电感耦合或者电磁耦合来进行通信，以达到自动识别被标识物体的目的。RFID应用系统一般由电子标签、阅读器、中间件、信息处理系统4部分组成。电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置、扫描器、通讯器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：（1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。（2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3~l0m．将RFID标签安装在被识别物体上（粘贴、插放、挂佩、植入等），当被标志物体进入无线射频识别系统的阅读范围时，标签和读写器之间进行非接触式信息通信，标签向读写器发送携带信息，读写器接收这些信息并进行解码，传输给后台计算机处理，完成整个信息处理过程。RFID技术具有如下特性：数据的读写功能；标签容易小型化和多样化；耐环境性；可重复使用；穿透性强；数据的记忆容量大，与传统的条形码相比，条形码识别物品的种类，而RFID技术确定每一个单独的物体对象。

3系统实现可行性

课堂教学是整个高校教学工作的主体，是为国家培养人才的主战场，教学质量是一个高校的重中之重，因此，高校领导会高度重视用信息化技术来推动教学管理的智能化，领导的重视是技术推广应用的关键。随着物联网技术的进一步发展，作为物联网技术的核心技术之一的RFID技术得到了空前的应用，技术的成熟推动了行业的应用，目前高频RFID技术无论从技术性能还是价格等方面都有大幅改善。RFID近距离自动获取信息技术完全能做到在课堂环境下对师生信息的非接触式提取。采用RFID防冲撞技术可以实现同时多标签的识别与读取，达到对教学过程的实时控制与管理。高校一般都建立了较为完善的校园综合性业务网络，教室、实验室、办公室等与教学相关的场所都接入了网络，而且大部分高校也建立了各种无线局域网，各种应用服务器配置比较齐全，这些为实现教学管理信息化打下了网络与应用基础。课堂教学的智能化管理最终还是信息的处理与控制，采用RFID技术可以实现信息的前端自动获取，我们借助于高校已有的应用服务器来搭建后台的信息服务器平台，实现课堂教学动态信息的储存与处理。另外，高校师生大多都采用了电子标签作为师生的身份标识工具，电子标签的应用，方便了对师生课堂教学的智能化管理。

4系统设计及管理过程

4．1总体技术方案在高校各种教学场所如教室、实验室和办公室区域一般都实现了网络化，大多数高校还实现了无线局域网的全面覆盖，我们在本设计中采用无线局域网作为网络传输平台，为了实现课堂教学管理的智能化，在系统设计上，我们在各教学场所的入口安装一台带有无线网络功能的RFID阅读器，另外也可适量配置移动式RFID阅读器，方便各类管理人员灵活应用。基于RFID的智能化课堂管理系统设计方案如图2所示。该系统主要由RFID电子标签与RFID手持或固定式阅读器、RFID课堂信息处理子系统、教学动态管理终端子系统、远程教学动态查询子系统、实时信息系统和教学信息处理系统等组成。其中教学信息处理系统是智能化课堂管理系统的核心．它对以无线方式传递的感知射频标识信息进行处理，并反馈给相应的子系统，从而实现智能化管理。4．2智能化课堂教学管理过程智能化课堂教学管理系统运行的基础是师生个人信息的数字化标识。利用RFID电子标签给师生制作个人信息及相关的教学信息。在后台信息管理系统的支持下，这部分工作在师生开学报到时就能顺利完成。课堂信息的日常获取是整个系统管理过程的关键。师生上下课在特定时间内经过教学场所的入口处，阅读器从师生身上携带的师生卡非接触式近距离获取信息，通过无线局域网的传输，多种信息存储在信息系统服务器上。前端阅读器同时也具备一定的信息处理能力，能对一些特殊情节（如：忘带学生卡、多人同时通过等）进行实时处理。师生上下课的实时信息基本上反映了全校日常教学的一个整体情况，教学动态管理终端子系统用来处理这些信息，经过对全校课堂教学动态信息的分析处理，可以通过多种手段呈现给教学管理人员，帮助他们及时了解师生上课情况。也可以依此分配资源协调各部门做好教学工作。当然可以利用实时信息系统在LED大屏幕上动态课堂教学信息。目前，Internet网络十分普及，教学管理人员可以充分利用远程服务功能，做到在任何地方、任何时间都可以掌握全校的教学情况，并能及时发出处理指令。

5系统设计关键技术

5．1电子标签与阅读器的设计在介绍RFID工作原理时，已经提到了RFID可以工作在4个频段上，各个频段的RFID系统都有一定应用适应面，针对本系统的设计要求，选取中心频率为13．56MHz高频段RFID系统（视情况可采用900MHz超高频段）。高频电子标签、阅读器目前在国内相当成熟，应用比较广泛，电子标签可以直接选购。RFID系统硬件核心是阅读器。阅读器控制电路采用MFRC522芯片来实现．MFRC522是高度集成的非接触式（13．56MHz）读写卡芯片，支持ISO14443A／MIFARE卡，可实现与各种不同主机的接口功能，如SPI，UART及I2C等，控制电路如图3所示。MFRC522芯片与单片机采用SPI接口，单片机（u78F0451）作为主处理器，MFRC522作为从处理器。单片机引脚P1．1（SCK），P1．2（MISO），P1．3（MOSI），P4．4（NSS）与MFRC522芯片的SPI引脚相连。为了降低系统功耗，电路采用了分时供电的方法：只有当检测到有卡靠近时，控制单片机引脚P2．1输出低电平，导通U7，为MFRC522芯片提供电源，其他情况下不为其提供电源。另外，该电路部分中的RF接口也通过控制单片机引脚P4．3的电平采用分时供电的方法，只有当需要检测是否有卡靠近时才为其提供电源，P1．4用来采样卡的到位信号。目前单片机的主要编程语言有C语言和汇编语言。这两种语言在嵌入式应用开发中可以单独编程，也可以混合编程。由于本系统的主控芯片u78F0451的RAM和FLASH容量相对较小，为节省代码空间，实现对资源的合理利用，在PM＋开发环境下，本系统采用汇编语言，模块化思想进行设计。系统软件功能分为主程序模块、卡通信模块、电源管理模块、网络接口通信模块和其他处理功能模块5个部分，如图4所示。系统的软件程序固化在u78F0451单片机的FLASH存储器中。另外，在阅读器的设计上要充分考虑高校课堂教学的实际需求，做到功能齐备、人机界面友好，目前采用嵌入式技术设计开发。5．2系统网络设计传输网络是本系统应用基础，目前所有的高校都已构建起了基于光纤的高速交换校园网络，随着无线网络技术的应用推广，一般高校也构建了基于WIFI技术的无线局域网。高校的信息服务系统在这些网络的基础上得以实现。因此本系统设计的网络基础在各高校一般均具备。5．3系统应用软件设计管理系统软件从功能上可以划分以下几个模块：RFID阅读器信息处理模块、教学动态管理终端模块、远程教学动态查询模块、实时信息模块和教学信息处理模块。整个应用系统的核心是教学信息处理模块。一般作为应用分系统集成到学校原有的应用系统之中，数据库系统依情况而定，常用的可选用微软公司的MSSQLServer2008，开发平台可采用C＃或其他开发语言来完成。阅读器信息处理模块主要完成数据的读写、多标签冲突、课堂特情、人机友好界面等功能，并对信息进行适当的前期处理。教学动态终端模块是主要的客户端。可采用面向对象的开发工具以B／S方式来实现。主要完成实时数据查询、统计、报表、合并、资源调度、师生标签信息写入等功能。远程教学动态查询模块便于外出人员查询之用，基本与终端模块类似，只是增加了远程网络通信与认证功能。实时信息处理模块完成大型LED屏的显示控制。

6结束语

射频标签RFID的非接触、多目标同时自动读取的特性，使其成为高校课堂教学智能化管理的一个有效手段。本文紧紧围绕高校课堂教学管理中的相关问题，分析了RFID用于高校课堂教学管理的可行性．设计了一种基于RFID的高校课堂教学管理系统，并就其智能化原理进行了阐述。随着射频标识RFID技术的不断发展完善．其应用范围也将不断扩大，如何在新技术条件下，提高高校教学管理绩效，扩展服务内容，真正实现智能化、人性化高校教学管理，将成为下一步研究解决的重要课题。

作者：张新 陈兰生 单位：绍兴职业技术学院