基于蓝牙手环的学生综合素质监测平台设计与实现

◆沈 洁 沈丁琦

基于蓝牙手环的学生综合素质监测平台设计与实现

◆沈 洁 沈丁琦

(无锡机电高等职业技术学校 江苏 214000)

学生的综合素质全面发展是各个学校不断努力的方向，所有学校都在维持着德育、体育、智育之间的平衡，但由于学生群体人口密集度大，很难实现精准化的管理与监测。随着电子信息技术的发展，可穿戴设备的出现为学校智能化的管理提供了技术支持，其中最适应学生阶段使用的便是智能蓝牙手环。通过智能手环实现对学生体质等综合素质的的监测，对学校管理以及学生长远综合体质档案的形成有着重大意义，在学校管理工作中运用也有着高度的可行性。为寻求构建学校学生管理的新的“互联网+物联网”模式的理论和方法，实现智慧化校园以及数字化校园的建设，综合素质监测平台是当下学校学生管理工作创新的新方向。

通讯技术；蓝牙；基站；监测平台

0 引言

在当今互联网与物联网交融大发展的时代背景下，蓝牙智能电子手环已经成为最火热的互联网元素之一。本文设计了一款综合素质监测平台，对学生日常睡眠质量、运动体质情况、学生出勤情况等进行实时监测。通过数据的对比和计算，推测出学生运动卡路里消耗，统计学生上课以及日常课外活动的签到信息。该平台通过智能手环的引入，可实时监控学生运动指标、运动卡路里及心率的波动，可随时掌握体育课堂运动课程设置是否合理，目标是否可以达成，学生的身体适应性是否可以承受等等，对于学校改善管理方法以及了解学生实时健康提供大数据依据。

1 系统总体方案设计

如图1，系统由智能蓝牙手环和蓝牙收发基站以及综合平台构成。通过在校园内布置蓝牙采集环境，实时接收学生手环采集的数据传导至服务器端，服务器分析处理接收数据，最终以可视化、简便化的形式呈现在综合管理平台上。

2 信息采集设备功能及设计

2.1 通讯技术选择

对于学生手环的设计，应考虑到适应学校的实际使用情况，目前市面上的手环的通讯技术主要有WiFi、蓝牙、Zigbee、3G/4G四种。Zigbee手环主要用以身份识别功能，实现签到点名功能，不能适用于整体的系统架构。这里对比下蓝牙手环和3G/4G手环以及WiFi手环。首先，3G/4G模块以及WiFi是为了高速通信设计的，设计出来的协议很复杂，耗电量很高，硬件模块体积大；而蓝牙模块具有体积小，功耗低的特点，省电并且便宜。其次，3G/4G的辐射是瓦级的，WiFi是100毫瓦级的，而蓝牙是毫瓦级的，甚至更低。最后，WiFi芯片虽然便宜（因为量大），但它需要很多配套器件，如CPU、存储……，所以使用WiFi的成本并不低。

综上所述，适应于学生综合素质检测平台的可穿戴设备设计可根据蓝牙(Bluetooth)技术模块进行。

2.2 蓝牙信号收发基站硬件设计

2.2.1蓝牙信号收发基站功能目标

依托于智能天线和射频管理技术， 蓝牙信号收发基站需实现远距离蓝牙覆盖，达到 300 米无遮挡覆盖或平均穿透 3 堵墙的效果。只有达到此功能，才能实现学校范围内的蓝牙环境无缝覆盖。

蓝牙信号收发基站需要通过 WiFi，3G/4G 或以太网连接到 LAN 或 Internet，从而实现多种环境的综合部署。并支持多种安装方式，适用于室外，防水，防雨，防暴晒，防尘。设备功耗不超过10W，需要支持POE供电，不间断运行需考虑功耗电能问题。

2.2.2蓝牙信号收发基站硬件指标

为满足蓝牙信号收发基站功能性目标，硬件模块设计需满足以下几点。

（1）处理器和内存

CPU：4核ARM Cortex-A5，最高主频1.5GHz CPU；内存：256MB DDR3，存储：4GB eMMC。

（2）蓝牙参数

蓝牙芯片：2路CSR8811；蓝牙标准：支持并遵循 Bluetooth LE 4.0/4.1/4.2；LE 并发连接数：至多22个；工作频率：ISM 频段2.400~2.4835GHz；双工模式：时分双工（TDD）；传输速率：2x1Mbps；发射功率Tx：+8 到+20dbm，持续可调4db梯度；接收灵敏度Rx：-105dbm； 天线增益：5dbi 垂直极化。

（3）Wi-Fi 参数 (802.11 a/b/g/n)

频率：2.4 GHz；发射功率：17.5 至 12.5dBm；接收灵敏度：-96 至-71dBm；天线：内置双频全向天线。

（4）安全服务

支持蓝牙 4.1 安全标准；128 位AES加密；路由器配置页面有密码保护。

（5）网络连接

集成 Wi-Fi 802.11b/g/n (2.4GHz)；支持 10/100 BASE-T 以太网；支持 USB 3G/4G dongle 的上行模式。

（6）供电方式为802.3 af/at 标准PoE网线供电。

2.3 蓝牙手环硬件设计

2.3.1手环蓝牙传输模块设计

手环与蓝牙信号收发基站之间的通信采用蓝牙方式。HC-06 蓝牙串口模块可以使串口转换为蓝牙，从而达到取代串口线的目的，蓝牙串口可以将蓝牙的通信转化成虚拟串口。经过这样的转换后，使用蓝牙的Client程序 就可以像使用串口一样操作蓝牙，并通过这个把采集到的数值传递给手机端。该蓝牙模块工作电压为3.3 V，波特率可调，根据需要本系统中调节为9600，将其设置为从机模式与蓝牙信号收发基站进行配对与通信。HC-06兼具低功耗的特点，配对过程中电流仅为30mA，配对完毕无论通信与否仅为8mA。如图2。

图2 蓝牙模块电路示意图

2.3.2手环心率模块设计

本设计电路采用红色发光二极管发出的光线通过皮肤表面照射在受光窗，当皮肤表面的血流量随心脏跳动而改变时，LED通过皮肤表面到达受光窗的光线也随之改变，这样光电流也发生波动性变化，从而采集到心脏脉搏 信号，具体电路如图3所示。其中，芯片引脚输出波动的电压信号，经放大器的反相输入端，为避免烦扰信号传到输入端，用电容组成的双极性耦合电容将其隔离。C1和R1构成低通滤波器，去除高频信号，截止频率为3.33Hz。通过电压比较器，将信号转换为方波信号输入单片机。其中，电位器用于调节电压比较器的参考电压，以消除不同人体皮肤的差异性。如图3。

图3 心率传感器电路示意图

2.3.3手环运动步数模块设计

手环记步电路采用三轴加速度传感器，该传感器每个轴分别对应有一个十六位的AD转换器，测量的范围达到+16g,最高分辨率3.9mg/LSB可以测量不到1.0°的倾斜角变化。配置了一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗，提供智能健身手环的待机时间。当芯片处于正常工作状态时，其内部的加速度 计和陀螺仪可以分别采集x、y、z三轴上由动作引起的电压值变化，通过A/D转换，将其转换为数字信号，最后再通过 I2C 总线将数据传送到内部控制芯片。由于此时采集的数值不是实际测量的角速度值和加速度值，所以必须经过编程按照一定的比例关系对其进行转换，才能得到实际的角速度值和加速度值。

3 管理平台软件设计

3.1 运动统计监测

运动统计可实时监测学生运动时的心率、运动量等，让学校、老师实时了解和跟进每个学生的运动情况和身体状况，如图4所示为运动监测示意图。

（1）基础生理数据分类

运动指数：是通过手环记录的实时运动数据计算出来的。

卡路里：是通过运动指数利用一定的方法计算出来的。

心率指数：是通过体育课上运动激烈程度按秒实时对学生心率变化进行的监测值。

（2）对分散的学生信息进行集中采集管理

同时监测上传体育课每位学生的体征，如心率、跑步步数、卡路里消耗等，及时排查问题学生，科学指导体育训练，做到“有据可依”。

（3）为学生建立持续性和数据化的运动电子档案

建立专门的学生体育信息数据库，采集和记录每一次体育课和体测数据，可对学生体质变化进行长期跟踪。

（4）提升体育教学水平和管理水平

形成更好的体育课评价体系，完善体育课成绩采集和评测机制。实现学校的特色教学和智能教学。

图4 运动监测示意图

3.2 睡眠质量管理

睡眠不足给学生带来的不良影响是显而易见的。睡眠是人的基本生理功能，对身体和智力的发育有至关重要的意义。手环可采集学生睡眠时间、深度睡眠时长、浅度睡眠时长等相关数据，结合个人体测数据，为学生的睡眠质量状况提供数据参考。如图5所示为睡眠质量监测示意图。

图5 睡眠质量监测示意图

3.3 签到考勤管理

在校园的运营管理的过程中，核心工作是教学工作的管理，而在信息化的教学管理中，课程出勤的管理一直是重点和难点。

手环内置的蓝牙芯片与应用环境部署的系统共同构成学生室内、室外的签到（包括自动点名）体系。应用环境包括校门、宿舍，训练场、操场等。运用信息化、智能化的方法辅助校方，提高校园管理效率，释放管理工作，让学校有更多的精力投入到教学工作中。协助校方将办学理念从管理到服务的转变，无论是学校的教学资源还是基础设施都能更好的为学生学习提供服务。运用大数据技术，将系统积累的日常数据进行挖掘整理，为校方的决策提供数据依据。如图6所示为签到考勤管理示意图。

图6 签到考勤管理示意图

4 结语

本文设计的学生综合素质检测平台，依托蓝牙通讯技术推动学生综合素质评价的研究，通过应用学生电子手环产品进行学生运动监测，拓展了学生综合素质评价的数据采集途径，搭建了以基本数据、行为数据、评价数据共同构成的学生成长综合素质评价数据参考体系。

该监测平台未来还可研究设计教师端的手环交互系统，通过和学生手环进行匹配，可统计学生上课举手的答题情况，课后老师可进入网站后台进行查看本节学生答题情况，并根据答题结果进行评价。教师也可以在课堂上对学生的回答进行实时的评价，上传至网站后台。系统会采集记录学生所有的答题记录及评分结果，存入学生电子信息记录系统，为学生综合素质评价提供依据。

[1]吴凡.智能手表领跑可穿戴设备[J].深圳特区报，2014.

[2]韩玮玮.论高校实施科学健身教育的必要性[J].洛阳师范学院学报，2009.

[3]姜志海.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社.2015.

[4]王家庆.脉搏信号处理方法研究与脉搏测量系统设计[D].北京:北京工业大学，2003.

[5]张先绪.光电型脉搏传感器的原理及其应用[D].长春:长春理工大学，2014.

[6]徐川龙.基于单个三轴加速计的运动分析算法的研究[D].南京:东南大学,2014.

[7]李黎国，张辉，程号.基于Android健康服务终端蓝牙传输软件的设计[J].电子科技，2012.

[8]BrianWirsing．SendingandReceivingDataviaBluetoothwithanAndroidDevice[EB/OL].http://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/spring14/group01/docs/appnote/Wirsing-SendingAndReceivingDataViaBluetoothWithAnAndroidDevice.pdf，March26，2014.