基于物联网技术的高校试卷归档实验管理系统

吴凤民， 赖惠鸽， 张富臣， 郑凯强

(1.中国矿业大学银川学院 机电系， 银川 750021；2.宁夏大学 机械工程学院， 银川 750021)

基于物联网技术的高校试卷归档实验管理系统

吴凤民1,2， 赖惠鸽2， 张富臣1， 郑凯强2

(1.中国矿业大学银川学院 机电系， 银川 750021；2.宁夏大学 机械工程学院， 银川 750021)

为改变传统高校试卷归档过程中档案员工作繁重及后续检查、查询过程中查找困难的现状。针对高校试卷数量大、包含信息量广的特点，设计了基于LabVIEW和RFID技术的高校试卷归档实验管理系统。在对系统需求分析的基础上，提出总体设计方案，给出其中关键技术方案，最后用LabVIEW软件实现射频标签和其上层网络主机之间的无线通讯和数据传输。初步实验测试表明，本设计方案能够实现试卷的归档与定位，从根本上改变了试卷归档、查找等环节的传统人工干预工作模式，对提高高校试卷及其他档案归档具有重要的理论和现实意义。

无线射频识别； 试卷归档; 通信； 电子标签； 管理系统

0 引 言

随着互联网的普及与应用，计算机与网络技术的快速发展，无纸化办公已经被越来越多的单位和高校提上日程，但是，目前以至将来很长的一段时间内，纸质文献的管理(高校的试卷管理)仍然是档案运行管理的中心任务。目前高校普遍使用的试卷管理办法仍然是以人工干预为主的传统管理方法，由于高校试卷数量大、包含信息量广，试卷归档过程中档案员工作特别繁重且容易出错，并且后续检查、查询过程中查找困难。试卷的智能管理系统可以很好地解决上述问题，是今后精细化、自动化管理的必然趋势。物联网试卷管理系统能够实现所有试卷与管理中心的实时网络连接，从而实现试卷(以袋为单位)的自动定位，其中的关键环节和基础是基于射频识别(RFID)技术的智能试卷管理系统。

1 智能试卷管理系统需求分析

1.1 智能试卷管理系统通用结构

如图1 所示，智能试卷管理系统由三层子网络组成[1]:分别是试卷管理网络层、档案室网络层和试卷实体网络层。这样的网络分层结构对应着试卷归档的实际物理过程与物理结构。试卷实体网络层即在每个试卷带上装有射频识别标签，记录着该试卷袋的ID 号和当前位置信息，试卷档案网络层是由一组射频识别器(阅读器)及其他附件组成，试卷管理网络层形成试卷动态信息数据库。档案室网络层主机具有本层网络通信主站的功能，它与试卷实体网络层之间通过无线通信技术连接，与试卷管理网络层以总线方式连接。

图1 智能试卷管理系统通用结构

1.2 智能试卷管理系统功能需求

根据以上对智能试卷管理系统的描述，其应具有如下功能：

(1) 试卷袋定位功能。智能试卷管理系统的主要功能之一是试卷袋定位，即确定档案室每个试卷袋的位置信息，以便后续督导检查或查阅时能够准确查找。档案室试卷存放一般采用架构分层形式，架上位置信息指试卷袋所在的架面和面中的层。试卷袋的自动定位依靠RFID 技术完成。

(2) 试卷袋信息采集功能。试卷袋包含学院、系别、专业、班级、教师、考场记录、成绩、答题卷及架上位置等大量信息，并且存在唯一性，通过RFID标签写入试卷袋相关信息。

(3) 通信功能。试卷实体网络层试卷袋标签在收到档案室网络层主机的数据召唤命令时，将架上试卷袋ID 号及位置信息发送至档案室网络层主机。

(4) 人机界面功能。智能试卷管理系统应具有必要、简单的人机界面功能[1-5]，如显示试卷袋编号、存放信息等。

(5) 工作可靠性和使用寿命。智能试卷管理系统的软、硬件系统设计应能够保证其连续正常工作，为此，应周密考虑其机械结构、功耗、散热、软硬件抗干扰、故障或异常、自恢复等方面的设计。使用寿命主要取决于元器件及部件的选择。

(6) 其他需求。环境适应性，复杂度与成本，可维护性，继承性与技术升级，结构化和通用化。

2 总体方案设计

根据上述通用结构和功能需求，综合考虑其他各方面因素，可确定智能试卷管理系统的总体方案见图2。方案中体现了硬件系统和软件系统总体结构。

图2 智能试卷管理系统总体方案

试卷架的每层都设有贴片天线，各天线以多路射频开关与射频识别卡相连接。射频识别卡读取架上试卷袋标签信息时，以层为基本单位。射频控制器采用单片机控制系统[6-8]。图2中相关部分的连接关系体现了软件系统总体结构。智能试卷管理系统的人机界面只需显示试卷袋相关信息，可采用小型液晶显示屏实现。实际应用中，每一上层网络主机也可以连接、控制多个试卷架，视具体情况而定。这时，只需增加射频多路开关的设计路数，并且在软件设计中考虑系统的可配置性，以满足通用化要求[9-11]。

3 关键技术设计

3.1 RFID技术方案选择

电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码(产品电子EPC码)，附着在试卷袋上标识目标对象，可以存入大量信息；分为有源和无源两种，有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它将接收到的射频能量转化为电源为卡内电路供电，其作用距离近，但其寿命长且对工作环境要求不高。从成本和应用要求考虑，试卷袋等电子标签应选择无源的方案。从工作频率来看，可以分为低(125～135 kHz),高频(1～400 MHz)，超高频,微波(2.45 GHz,5.8 GHz)等几大类，一般场合用低频和高频，低频的最大的优点在于其标签靠近金属或液体的物品上时标签受到的影响较小，同时低频系统非常成熟，读写设备的价格低廉。但缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取(抗冲突)，因此该智能试卷管理系统选择超高频2.4 GHz的ISM频段，和低频相较，其传输速度较快，在100 kb/s以上，通常用于传送大量数据的系统[1]，且可进行多标签辨识(试卷管理)。该频段的系统也比较成熟，读写设备的价格较低。

3.2 无线贴片天线

选用RFID 技术方案,频率采用超高频段，这个频段的贴片天线设计相对比较成熟，选用平面单级天线，其基本结构如图3所示，在损耗和厚度都较小的介质衬底两侧，敷设金属接地板和金属贴片，其剖面薄，体积小，重量轻，制造成本低[9]。

图3 平面单级天线的基本结构

平面单级天线的尺寸主要由其低频段决定，对于规则形状辐射贴片的平面单级天线驻波比到达2级,所对应的低频点可以用圆柱体近似法进行估计[5],即

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得到：

(3)

则天线工作的低频点为：

(4)

FL的单位为GHz，L、r的单位为mm。考虑馈入间隙g的影响，式(4)修正为：

(5)

本设计中所采用的贴片天线规格尺寸为： 24.15 mm(L)×5 mm(W)×1.5 mm(T)，内置天线2.4 GHz。

3.3 多路射频开关

本设计中须使用多对一的多路射频开关，即连接多个贴片天线的多条引线，其中一条引线与公共引线端(连接RFID阅读器)相连接。这种多路射频开关可在单刀双掷开关的基础上进行组合，并附加适当的控制电路实现。

3.4 单片机系统设计

如图2所示，智能试卷管理系统的射频控制器包括单片机系统。单片机可选用较通用的机型，如：AT89C51。单片机上的串行通信口配以RS232接口芯片。其主要功能应该满足：

(1) 单片机主程序要能够灵活调用标签读写子程序，阅读器阅读控制子程序，并且要能够和主机进行灵活通信，将采集的档案室试卷袋相关信息实时、准确地传输到相应主机形成试卷信息数据库[12-15]。

(2) 当单片机系统接收到管理中心主机的查询指令时，要能够循环输出多路射频开关控制字、循环读取阅读器信息以获得档案室架上试卷袋相关信息，尤其是位置信息。

4 LabVIEW编程实现

主要实现射频标签和其上层网络主机之间的无线通信和数据传输。上层网络主机(上位机)通过搜索并连接欲访问的下位机(射频标签)的IP地址及端口，实现与该下位机的基于TCP协议的无线通信。

4.1 程序流程设计

整个程序采用“事件触发”的方式来编写。当上位机处于任意下位机的无线网络覆盖范围内时，通过搜索查找下位机IP(下位机通过TCP.Listen.vi帧听)并与之建立连接，同时运行上位机程序， 如果通信网络连接成功，程序则向下位机循环发送指令。其程序流程如图4所示。

图4 程序流程

4.2 程序流程LabVIEW编程实现

射频标签和其上层网络主机之间的无线通信功能主要通过LabVIEW中自带的TCP函数和VI来实现。运行LabVIEW2014，新建一个VI，在程序框图中添加一个“打开TCP连接”函数，并对IP地址、远程端口、ID、输入输出等接线端子进行定义。此处的IP和远程端口号(用户指定)与欲连接的下位机所配置的端口号相一致，程序通过此通道与下位机实现数据通信[16-17]。

“开始”事件未发生时，此时下位机处于低功耗休眠状态。当“开始”事件触发后，程序则循环向下位机发送一个长度为8个字节的字符串，前4个字节是“open”打开指令，后4个字节是代表下位机向上位机所发数据包容量值的数字字符串，此后下位机将根据这个参数向上位机发送规定大小的数据包。程序循环通过“读取TCP 数据”函数从下位机读取信息，当“开始”事件被停止后，程序重新发送关断指令，下位机自此进入休眠状态。

下位机供电后，将一直处于低功耗休眠状态，并循环监听上位机的控制指令。当收到上位机的打开指令后，下位机则根据指令内容对程序进行初始化配置，设置波特率及数据包容量等参数，配置完成后下位机开始工作，数据发送过程中程序依然持续监听上位机的指令，若收到关断指令，则单片机(射频控制器)控制整个下位机进入休眠模式。下位机程序流程见图5。

图5 下位机程序

5 结 语

本文以物联网智能试卷管理系统的结构化、通用化为设计目标，采用RFID 技术，首先进行需求分析，在此基础上提出总体设计方案，并进一步探讨了其中关键技术方案。最后用LabVIEW编程实现了系统中的关键环节即无线网络通信环节，在两台计算机之间实现了持续无线数据传输，初步试验测试表明，该设计具有先进性，所实现功能及性能指标满足实用化要求。为高校试卷的智能化管理提供了初步的模型，为其进一步的发展与完善提供了雏形与基础。

[1] 张郁松,杜景林.基于超高频RFID的图书馆智能书架方案研究与设计[J].图书馆杂志,2014(12):87-93.

[2] 张立新,杜 刚.物联网与嵌入式技术研究[J].软件导刊,2015,14(2):16-17.

[3] 沈苏彬,杨 震.物联网体系结构及其标准化[J].南京邮电大学学报,2015,35(1):1-17.

[4] Sergey Efremov*, Nikolay Pilipenko, Leonid Voskov.An Integrated Approach to Common Problems in the Internet of Things[J].Procedia Engineering,2015(8):1215-1223.

[5] 张海营.基于物联网的图书馆馆藏推荐服务平台构建[J].图书馆杂志,2013(12):33-35.

[6] 刘秀峰.基于物联网技术的图书管理系统[J].农业网络信息,2015(5):54-55.

[7] 蒋东铭,陈新宇.基于CMOS SOI工艺的射频开关设计[J].固体电子学研究与进展,2014,34(2):142-144.

[8] 张光辉,石 玉.基于PIN管的多路大功率宽带高线性射频开关的研制[J].电子元件与材料,2012,31(11):59-61.

[9] 白 冰,牛中奇.用于无线通信的新型宽带旋转贴片天线设计[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2015,42(3):193-196.

[10] 郭蓉曹,祥 玉.一种新型宽带定向性贴片天线设计[J].物理学报,2014,63(24):3-6.

[11] 周喜权.一种新型超宽带双陷波平面单极子贴片天线设计[J].电讯技术,2013，53(10):1362-1365.

[12] 张郁松.图书管理物联网一般结构分析与设计[J]. 图书馆学刊, 2012(12):119-121.

[13] 刘延吉.物联网技术研究综述[J]. 价值工程,2013(22):226-227.

[14] 张志军,徐小力.基于LabVIEW和WiFi技术的无线数据采集系统[J].化工自动化及仪表,2012,40(3):367-370.

[15] Hamoud M. Aldosari.A Proposed Security Layer for the Internet of Things Communication Reference Model[J].computer science,2015(1):96-98.

[16] 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京: 电子工业出版社,2003．

[17] 白 云.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2009.

Colleges and Universities Examination Paper Archiving Testing Management System Based on Internet of Things

WUFeng-min1,2,LAIHui-ge2,ZHANGFu-cheng1,ZHENGKai-qiang2

(1. Mechanical and electrical department, Yinchuan College of China University of Mining, Yinchuan 750021, China； 2. Ningxia University Mechanical College， Yinchuan 750021, China)

In order to change the present situation of the hard work of exam-paper archivists, and also solve the problem of difficultly finding papers in the checking and querying process, this paper designed a college paper archiving testing management system based on LabVIEW and RFID. Firstly, system requirements analysis were conducted, the overall design scheme was then put forward, and the key technologies in implementing scheme were analyzed, finally the wireless communication and data transmission between REID label and the top web host were designed by LabVIEW software. A preliminary test showed that this design could achieve the functions of examination papers filing and positioning， it fundamentally changed the traditional working mode, and also has important theoretical and realistic significance to improve the college examination paper archiving.

radio frequency identification technology(RFID)； examination paper archiving; communication； electronic tag； management system

2016-04-18

吴凤民(1984-)，女，甘肃白银人，助教，硕士生在读，主要从事机械设计及理论、物联网和信息工程及其控制理论的教学和研究工作。Tel.:15909586180;E-mail:603054928qq.com

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0246-04