CN110176167B - 一种基于rfid的室内智能教具系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于RFID的室内智能教具系统及其运行方法，其结构简单，易于运行，其将室内的桌椅坐标、照明灯光和多种预设的教学模式进行关联，能够实现多种智能教学功能。

Description

一种基于RFID的室内智能教具系统及其运行方法

技术领域

本发明属于智能教育领域，特别涉及一种基于RFID的室内智能教具系统及其运行方法。

背景技术

随着人工智能和物联网的发展，各种智能设备应运而生，极大地方便了人们的工作和生活。其中，很多智能设备是依赖于室内定位而工作的。在众多室内定位方法中，基于LANDMARC的室内定位方法由于使用廉价的RFID标签，降低了设备的运行成本，且具有较强的抗环境干扰能力。然而，由于定位环境的影响，信号在传播过程中会发生各种情况的反射、衍射和多径效应，从而使得定位结果误差较大，定位精度降低，并存在错选邻居标签的情况。

中国专利申请CN109324321A通过将参考标签按等边三角形规则进行摆放，并判断是否存在错选邻居标签的情况而进行修正，使得修正与优化后的LANDMARC算法的定位精度相对于传统的LANDMARC算法得到明显的提高和改善。

中国专利申请CN106714302A通过安装温度传感器、湿度传感器、亮度传感器和电磁辐射传感器形成传感器组，对环境的温度、湿度、光度、电磁辐射等环境因素进行监控，在系统初始化时能根据环境因素选择合适的工作参数，从而降低误差。这种方法由于引入了多种传感器，不但增加了成本，而且使得系统的复杂度大大地提高。

此外，在智能教育领域，随着各种教学形式和方法的创新，教学用具也急需实现自动化和智能化，以满足智能教学的需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于RFID的室内智能教具系统及其运行方法，其结构简单，易于运行，其将室内的桌椅坐标、照明灯光和多种预设的教学模式进行关联，能够实现多种智能教学功能。

为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种基于RFID的室内智能教具系统，包括：

多个桌子，每个桌子上安装有第一RFID标签，用于发射表示桌子位置信息的RSSI数据；

多个椅子，每个椅子上安装有第二RFID标签，用于发射表示椅子位置信息的RSSI数据；

多个照明灯，照明灯为可接入无线网络并可通过所述无线网络控制的智能照明灯，安装于室内的天花板上，用于为室内提供照明；

多个读写器天线，用于接收RFID标签的RSSI数据并传输给读写器，读写器天线也安装于室内的天花板上，并与照明灯相邻且一一对应；

多个读写器，其分布在室内，与读写器天线通讯连接，用于读取读写器天线所接收的RFID标签的RSSI数据；

终端处理器，其与读写器和照明灯通讯连接，用于对读写器读取的RFID标签的RSSI数据进行处理、控制照明灯以及输出视频信号。

进一步地，本发明的基于RFID的室内智能教具系统还可以包括多个参考RFID标签，其以阵列的方式分布在室内。传统的LANDMARC系统中，参考RFID标签一般呈矩阵式分布；而在一些优化的LANDMARC系统中，参考RFID标签也可以以其他阵列的方式规律分布，例如在中国专利申请CN109324321A的Tri-LANDMARC系统中，参考RFID标签是按等边三角形规则进行分布的。本领域技术人员能够选择合适的参考RFID标签分布方式并采用相应的LANDMARC算法，来得到第一RFID标签和第二RFID标签在室内的位置坐标。

进一步地，第一RFID标签和第二RFID标签距离地面的高度相同。这样的设置方式使得第一RFID标签和第二RFID标签到天花板上的读写器天线的距离在竖直方向的分量均相同，因此其信号强度的大小仅取决于其在水平面上的位置坐标不同，因此使得计算第一RFID标签和第二RFID标签的位置坐标时的运算量大大减少，且由于竖直方向上高度不同所造成的误差得以抵消，提高了定位精度。

优选地，第一RFID标签安装在桌子的桌面前端中央位置；第二RFID标签安装在椅子的靠背后端中央位置。由于RFID标签所发出的射频信号是通过向上或斜向上到达天花板的读写器天线，这与传统的将RFID标签和读写器部署在室内地面的方式相比，大大地减少了障碍物的干扰，因为当本发明的教具系统处于使用状态时，即当教员和学员均落座就位时，水平方向的障碍物远远多于竖直方向的障碍物。因此，本发明的第一RFID标签和第二RFID标签的设置方式能够尽量避免射频信号发生遮挡、干扰、反射、折射等无法预估的情况，从而进一步提高了定位精度。

优选地，读写器天线位于照明灯的前方，两者中心点之间的距离大致等于第一RFID标签到桌子的桌面中心点的距离。这样，读写器天线中心点、照明灯中心点、第一RFID标签和桌子的桌面中心点四者形成大致的平行四边形，照明灯发出的光到达桌面中心点的路径与第一RFID标签发出的射频到达读写器天线的路径大致平行。由于光和射频均为电磁波，其强度与路径的平方呈反比，因此照明灯投射到桌面的光强大致正比于该桌子对应的第一RFID标签所发射的射频到达该照明灯对应的读写器天线的信号强度，由此可以通过各读写器天线接收到的某个第一RFID标签所发出的RSSI值大小来判断该第一RFID标签所对应的桌子的桌面所接收的照明灯的光强大小，从而判断该桌子所受到的照明是否充足。

进一步地，当照明灯为白光灯时，其亮度可以调节；当照明灯为三色灯时，其亮度和色温可以调节；当照明灯为彩光灯时，其亮度和颜色可以调节。白光灯或三色灯一般用于照明；而彩色灯除了可以用于照明，还可以用于在某些教学活动时营造灯光氛围。

进一步地，读写器天线与读写器之间的通讯连接可以通过有线的方式连接，也可以通过无线的方式连接。

进一步地，读写器与终端处理器之间的通讯连接可以通过有线的方式连接，也可以通过无线的方式连接。

优选地，读写器天线、读写器、终端处理器和照明灯均通过WIFI接入无线局域网进行通讯。

进一步地，终端处理器输出的视频信号可接入视频显示设备，例如电子黑板、投影仪或显示屏等。优选地，终端处理器安装于讲台处。

另一方面，本发明还提供了上述基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有第一RFID标签的桌子、安装有第二RFID标签的椅子、参考RFID标签和读写器；在室内天花板部署若干照明灯和读写器天线；

(2)读写器通过读写器天线采集第一RFID标签、第二RFID标签和参考RFID标签的RSSI值；

(3)终端处理器对读写器采集的第一RFID标签、第二RFID标签和参考RFID标签的RSSI值进行处理，使用LANDMARC算法得到第一RFID标签和第二RFID标签的坐标；

(4)终端处理器将得到的坐标信息与预设的教学模式数据进行比对，调出相应的教案，并通过输出视频信号将该教案对应的教学内容显示在显示设备上。

进一步地，上述基于RFID的室内智能教具系统的运行方法还包括步骤：

(5)终端处理器根据教案的设置方案自动对照明灯进行调节。

进一步地，预设的教学模式包括一对多大班教学模式、二人讨论模式、三人小组模式、五人小组模式等。

进一步地，比对的数据包括椅子的数量、桌子的数量、椅子的坐标(即第二RFID标签的坐标)和桌子坐标(即第一RFID标签的坐标)。

又一方面，本发明的基于RFID的室内智能教具系统甚至可以不含有参考RFID标签时，此时其运行方法包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有第一RFID标签的桌子、安装有第二RFID标签的椅子和读写器；在室内天花板部署若干照明灯和读写器天线；

(2)读写器通过读写器天线采集第一RFID标签和第二RFID标签的RSSI值；

(3)终端处理器对读写器采集的第一RFID标签和第二RFID标签的RSSI值进行处理，利用含内权重的均方差公式计算出第一RFID标签和第二RFID标签的关联度值；

(4)终端处理器将得到的关联度值信息与预设的教学模式数据进行比对，调出相应的教案，并通过输出视频信号将该教案对应的教学内容显示在显示设备上。

进一步地，上述基于RFID的室内智能教具系统的运行方法还包括步骤：

(5)终端处理器根据教案的设置方案自动对照明灯进行调节。

进一步地，比对的数据包括椅子的数量、桌子的数量、第一RFID标签和第二RFID标签的关联度值。关联度值表示第一RFID标签(即桌子)和第二RFID(即椅子)标签之间的距离，关联度值越低，表示某桌子和某椅子的距离越接近。关于利用含内权重的均方差公式计算出第一RFID标签和第二RFID标签的关联度值的方法，可参考中国专利申请CN106950535A。

本发明的基于RFID的室内智能教具系统即使在不部署参考RFID标签时仍然可行，这是因为本发明判断桌椅的摆放属于哪种预设教学模式并不需要对桌子和椅子进行精确定位，只要得到桌子和椅子的相对位置关系即可，这大大地简化了本发明的设备结构和运算复杂度，从而节约了设备成本，提高了设备运行效率。

此外，利用本发明的基于RFID的室内智能教具系统还可以实现室内照明灯光的自动监控和调节，防止学员搬动桌子后由于照明不足而损坏视力，尤其是在阴雨天气或夜间。因此，本发明还提供了一种利用上述基于RFID的室内智能教具系统实现室内照明灯光自动监控和调节的方法，包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有第一RFID标签的桌子、参考RFID标签和读写器；在室内天花板部署若干照明灯和读写器天线；

(2)在没有自然光照明的情况下，例如夜间或拉上窗帘时，将室内的照明灯调节到所有的桌子均可以得到充足的照明；

(3)读写器通过读写器天线采集第一RFID标签和参考RFID标签的RSSI值；

(4)终端处理器对读写器采集的第一RFID标签和参考RFID标签的RSSI值进行实时监控，计算每个第一RFID标签在所有读写器上加权后的RSSI值；

(5)当某个第一RFID标签在所有读写器上加权后的RSSI值下降达到一定的百分比后，使用LANDMARC算法得到该第一RFID标签的坐标；

(6)终端处理器对离该第一RFID标签的坐标最近的照明灯进行调节，将亮度调高一定的百分比。

进一步地，上述步骤(5)中一定的百分比为10％或以上。

本发明的有益技术效果至少表现在以下几个方面：

(1)本发明将第一RFID标签和第二RFID标签距离地面的高度设置为相同，使得第一RFID标签和第二RFID标签到天花板上的读写器天线的信号强度的大小仅仅取决于其在水平面上的位置坐标不同，从而将由于竖直方向上高度不同所造成的误差得以抵消，提高了定位精度。

(2)本发明颠覆了传统的将RFID标签和读写器部署在室内地面的方式，创新地将读写器天线部署在室内天花板上，从而使得RFID标签所发出的射频信号是通过向上或斜向上到达读写器天线，大大地减少了障碍物，尽量避免射频信号发生遮挡、干扰、反射、折射等无法预估的情况，从而进一步提高了定位精度。

(3)本发明将读写器天线设置于照明灯的前方，使得读写器天线、照明灯、第一RFID标签和桌子的桌面中心点四者形成大致的平行四边形，由此可以通过各读写器天线接收到的某个第一RFID标签所发出的RSSI值大小与该第一RFID标签所对应的桌子的桌面所接收的照明灯的光强大小联系起来，从而实现了室内照明灯光的自动监控和调节。

(4)本发明的基于RFID的室内智能教具系统即使在不部署参考RFID标签时仍然可行，这大大地简化了本发明的设备结构和运算复杂度，从而节约了设备成本，提高了设备运行效率。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的基于RFID的室内智能教具系统中第一RFID标签、第二RFID标签、读写器天线和照明灯的分布关系示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的基于RFID的室内智能教具系统的结构分布示意图；

图3是本发明另一个较佳实施例的基于RFID的室内智能教具系统的结构分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所述的“多个”是指两个或两个以上；所述的“前方”是指人位于室内中央时，面向黑板、显示屏或投影幕布的方向；所述的“后方”是指与“前方”相反的方向。

实施例1

在一个优选实施例中，如图1-2所示，本发明的基于RFID的室内智能教具系统包括：

多个桌子1，其上安装有第一RFID标签11，用于发射表示桌子1位置信息的RSSI数据；

多个椅子2，其上安装有第二RFID标签21，用于发射表示椅子2位置信息的RSSI数据；

多个照明灯4，其为可通过WIFI接入无线网络并可通过该无线网络控制的智能照明灯，安装于室内的天花板上，用于为室内提供照明；

多个读写器天线3，用于接收RFID标签11、21的RSSI数据并传输给读写器6，读写器天线3也安装于室内的天花板上，并与照明灯4相邻且一一对应；

多个读写器6，其分布在室内的四个角落，与读写器天线3通过WIFI通讯，用于读取读写器天线3所接收的RFID标签11、21的RSSI数据；

终端处理器5，其与读写器6和照明灯4通过WIFI通讯，用于对读写器6读取的RFID标签11、21的RSSI数据进行处理、控制照明灯4以及输出视频信号；

多个参考RFID标签7，其呈矩阵式分布在室内。

在本实施例中，第一RFID标签11和第二RFID标签21距离地面的高度相同，均为h。这样的设置方式使得第一RFID标签11和第二RFID标签21到天花板上的读写器天线3的距离在竖直方向的分量均相同，因此其信号强度的大小仅仅取决于其在水平面上的位置坐标不同，因此使得由于竖直方向上高度不同所造成的误差得以抵消，提高了定位精度。

在本实施例中，第一RFID标签11安装在桌子1的桌面前端中央位置；第二RFID标签21安装在椅子2的靠背后端中央位置(由于靠背遮挡，在图1中用虚线表示)。由于RFID标签11、21所发出的射频信号是通过向上或斜向上到达天花板的读写器天线3，这与传统的将RFID标签和读写器部署在室内地面的方式相比，大大地减少了障碍物的干扰，尽量避免射频信号发生遮挡、干扰、反射、折射等无法预估的情况，从而进一步提高了定位精度。

在本实施例中，读写器天线3位于照明灯4的前方，两者中心点之间的距离大致等于第一RFID标签11到桌子1的桌面中心点的距离。这样，读写器天线3中心点、照明灯4中心点、第一RFID标签11和桌子1的桌面中心点四者形成大致的平行四边形，照明灯4发出的光到达桌面中心点的路径(图1中以实线箭头表示)与第一RFID标签11发出的射频到达读写器天线3的路径(图1中以虚线箭头表示)大致平行。由于光和射频均为电磁波，其强度与路径的平方呈反比，因此照明灯4投射到桌面的光强大致正比于该桌子1对应的第一RFID标签11所发射的射频到达该照明灯4对应的读写器天线3的信号强度，由此通过各读写器天线3接收到的某个第一RFID标签11所发出的RSSI值大小与该第一RFID标签11所对应的桌子1的桌面所接收的照明灯4的光强大小联系起来，从而实现了室内照明灯光的自动监控和调节。

在本实施例中，照明灯4为智能彩光灯，其亮度和颜色均可以调节，可以根据教案的设置自动调节照明灯4的亮度和颜色，以营造适合教学内容的灯光氛围。

在本实施例中，终端处理器5安装于讲台处，其输出的视频信号通过投影仪(图中未示出)投射到室内前方的显示设备8(幕布)上。

在本实施例中，本发明的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有第一RFID标签11的桌子1、安装有第二RFID标签21的椅子2、参考RFID标签7和读写器6；在室内天花板部署若干照明灯4和读写器天线3；

(2)读写器6通过读写器天线3采集第一RFID标签11、第二RFID标签21和参考RFID标签7的RSSI值；

(3)终端处理器5对读写器6采集的第一RFID标签11、第二RFID标签21和参考RFID标签7的RSSI值进行处理，使用LANDMARC算法得到第一RFID标签11和第二RFID标签21的坐标；

(4)终端处理器5将得到的坐标信息与预设的一对多大班教学模式、二人讨论模式、三人小组模式、五人小组模式等教学模式的第一RFID标签11和第二RFID标签21的坐标数据进行比对，调出相应的教案，并通过投影仪将该教案对应的教学内容投射到室内前方的幕布上；

(5)终端处理器5根据教案的设置方案自动对照明灯4进行调节，以营造适合教学内容的灯光氛围。例如，当教学内容投射到幕布上时，终端处理器5根据教案的设置自动将前三排照明灯4熄灭，并将后三排照明灯4调暗。随着教学内容的展开，在某游戏环节到来时，终端处理器5根据教案的设置自动将照明灯4调成几种不同的颜色，以区分学员所组成的不同小组。当所有教学内容讲完时，终端处理器5根据教案的设置自动将照明灯4调亮到最初的状态，以提供室内照明。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，如图3所示，不同点在于，在本实施例中，本发明的基于RFID的室内智能教具系统不含有参考RFID标签7，此时其运行方法包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有第一RFID标签11的桌子1、安装有第二RFID标签21的椅子2和读写器6；在室内天花板部署若干照明灯4和读写器天线3；

(2)读写器6通过读写器天线3采集第一RFID标签11和第二RFID标签21的RSSI值；

(3)终端处理器5对读写器6采集的第一RFID标签11和第二RFID标签21的RSSI值进行处理，利用含内权重的均方差公式计算出第一RFID标签11和第二RFID标签21的关联度值；

(4)终端处理器5将得到的关联度值信息与预设的一对多大班教学模式、二人讨论模式、三人小组模式、五人小组模式等教学模式的各关联度值数据进行比对，调出相应的教案，并将该教案对应的教学内容显示在室内前方的显示设备8(电子黑板)上；

(5)终端处理器5根据教案的设置方案自动对照明灯4进行调节。

在本实施例中，本发明的基于RFID的室内智能教具系统即使在不部署参考RFID标签7时仍然可行，这大大地简化了设备结构和运算复杂度，从而节约了设备成本，提高了设备运行效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述系统包括：

多个桌子，每个所述桌子上安装有第一RFID标签，用于发射表示所述桌子位置信息的RSSI数据；

多个椅子，每个所述椅子上安装有第二RFID标签，用于发射表示所述椅子位置信息的RSSI数据；

多个照明灯，所述照明灯为可接入无线网络并可通过所述无线网络控制的智能照明灯，安装于室内的天花板上，用于为室内提供照明；

多个读写器天线，用于接收RFID标签的RSSI数据并传输给读写器，所述读写器天线也安装于室内的天花板上，并与所述照明灯相邻且一一对应；

多个读写器，其分布在室内，与所述读写器天线通讯连接，用于读取所述读写器天线所接收的RFID标签的RSSI数据；

终端处理器，其与所述读写器和所述照明灯通讯连接，用于对所述读写器读取的RFID标签的RSSI数据进行处理、控制所述照明灯以及输出视频信号；

所述运行方法包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有所述第一RFID标签的所述桌子、安装有所述第二RFID标签的所述椅子和所述读写器；在室内天花板部署若干所述照明灯和所述读写器天线；

(2)所述读写器通过所述读写器天线采集所述第一RFID标签和所述第二RFID标签的RSSI值；

(3)所述终端处理器对所述读写器采集的所述第一RFID标签和所述第二RFID标签的RSSI值进行处理，利用含内权重的均方差公式计算出所述第一RFID标签和所述第二RFID标签的关联度值；

(4)所述终端处理器将得到的关联度值信息与预设的教学模式数据进行比对，调出相应的教案，并通过输出视频信号将所述教案对应的教学内容显示在显示设备上；

(5)所述终端处理器根据所述教案的设置方案自动对所述照明灯进行调节。

2.如权利要求1所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述系统还包括多个参考RFID标签，其以阵列的方式分布在室内；

所述运行方法包括以下步骤：

(1)在室内部署若干安装有所述第一RFID标签的所述桌子、安装有所述第二RFID标签的所述椅子、所述参考RFID标签和所述读写器；在室内天花板部署若干所述照明灯和所述读写器天线；

(2)所述读写器通过所述读写器天线采集所述第一RFID标签、所述第二RFID标签和所述参考RFID标签的RSSI值；

(3)所述终端处理器对所述读写器采集的所述第一RFID标签、所述第二RFID标签和所述参考RFID标签的RSSI值进行处理，使用LANDMARC算法得到所述第一RFID标签和所述第二RFID标签的坐标；

(4)所述终端处理器将得到的坐标信息与预设的教学模式数据进行比对，调出相应的教案，并通过输出视频信号将所述教案对应的教学内容显示在显示设备上；

(5)所述终端处理器根据所述教案的设置方案自动对所述照明灯进行调节。

3.如权利要求1或2所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述第一RFID标签和所述第二RFID标签距离地面的高度相同。

4.如权利要求3所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述第一RFID标签安装在所述桌子的桌面前端中央位置；所述第二RFID标签安装在所述椅子的靠背后端中央位置。

5.如权利要求4所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述读写器天线位于所述照明灯的前方，两者中心点之间的距离大致等于所述第一RFID标签到所述桌子的桌面中心点的距离。

6.如权利要求1或2所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述照明灯为白光灯、三色灯或彩光灯；当所述照明灯为白光灯时，其亮度可以调节；当所述照明灯为三色灯时，其亮度和色温可以调节；当所述照明灯为彩光灯时，其亮度和颜色可以调节。

7.如权利要求1或2所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述读写器天线、所述读写器、所述终端处理器和所述照明灯均通过WIFI接入无线局域网进行通讯。

8.如权利要求1或2所述的基于RFID的室内智能教具系统的运行方法，其特征在于，所述终端处理器输出的视频信号可接入视频显示设备，所述视频显示设备选自电子黑板、投影仪或显示屏中的一种。

Images