智慧校园学生手环应用选型技术评析

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，而是使用学生手环，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. 学生手环主要功能
     目前，学生手环功能上大致分为 2 种：
     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。
     智能学生手环。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。下面主要对学生手环在校园应用中的技术方 案进行分析。
 
 
3. 学生手环在智慧校园应用场景与用户体验分析
   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。
   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。
   位置管理：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。
   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。
 
   一卡通：刷卡时的用户体验，速度快，识别高度好。
   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. 学生手环技术分析比较
       前期学校市场学生学生手环主要有 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 单通道学生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：
       BLE 单通道学生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。
        BLE 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 双通道学生手环方案
      RFID+BLE 双通道学生手环方案采用了 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 双通道学生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。
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 双通道学生手环的 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 单通道学生手环技术与 RFID+BLE 双通道学生 手环技术比较汇总如下表