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基于智能手环校园感知系统建设案例

2016-9-23 8:29:29

应用案例:北京市第三十五中学智能感知系统

案例二、北京市第三十五中学面向“走班选课”教学模式转变的智能感知校园

该项目包含完整的智能感知解决方案,分为软件和硬件两个主要部分,系统一期建设,满足北京第三十五中学高中校区约1500名学生与老师的使用需求,主要实现学生的快速精细考勤,自动中长跑成绩计算和达标测试,日常运动和健跑活动管理等功能模块。

应用情境:在智慧教室的应用环境下,通过云桌面系统与网络教学系统与智慧教室深度融合,实现智慧教室由人与设备、人与环境的交互向人与资源、人与数据的交互。云桌面系统,可以根据教学内容,自动部署计算机桌面环境,实现个性化应用服务。智慧教室和教学系统的结合,则从教学效果方面实现数据可现化,教师可以通过系统后台数据,及时了解不同学生相关课程的学习状态,跟踪学习进程,并完成随堂的在线测验。通过深入的课堂参与,让教学系统能够反馈教学结果,指导教学过程进一步发展。通过课堂上不断的数据积累,在不同阶段,实现数据统计分析,让数据说话,指导教师的后续教学工作,完成个性化教学策略的制定。

空间布局:

主要设备:

1、学生手环

本项目中,学生手环为特别定制的蓝牙运动手环,配备三轴加速度计和心率传感器,能够精确记录学生走、跑步数和实时心率状态。内置的高亮OLED显示屏能够保证在户外也能够辨认。高达IP68的全防水设计可以适应绝大多数学生日常使用场景,特别处理的侧按键保证即使在游泳池或浴室仍可正常操作。采用最新的低功耗芯片保证单次充电续航时间超过2周。

 

 

1、磁吸充电线磁吸式充电设计,稳定性更高,更加耐磨损

为保证学生使用的便捷性和学校管理的统一性,手环内置了与学校现有一卡通系统完全兼容的CPU卡芯片,不仅在学生使用过程中可以完全替代一卡通卡片,在收发管理方面也完全兼容原有一卡通的的发卡管理模式,真正实现了管理成本0增加。学校现有的刷卡设备,如门禁刷卡器,自助打印机,管理发卡器等均可正常使用。

2、刷卡自助打印终端

 
3门禁和课堂考勤刷卡器 

  

4移动刷卡和发卡器

 

 蓝牙基站

自主开发了用于手环进行定位监控和信息收发的蓝牙基站,信号覆盖范围和手环监测范围从5米到60米可调,均采用安全低压供电设计,支持9~36V宽电压范围输入,可以方便的进行长距离串联供电。

 

基站支持Wifi和LAN双方式接入,安装部署更加灵活,结合自主研发的多源融合定位算法,可以实现多基站协同工作对手环进行定位计算。

室外型基站采用低功耗全密封设计,防护等级IP67,工作环境温度-20~60摄氏度,能够满足学校正常应用需求。


基站安装于学校各教学楼一层门口,校门门口,各普通多媒体教室和功能教室,实验室,体育场馆,志成讲堂,体育场,足球场等学生日常活动场所。

(图中绿色圆圈标记位置为蓝牙基站)

5体育馆内篮球馆、羽毛球馆、游泳馆部署高增益型室内蓝牙基站

 

6学校户外区域安装于灯杆、摄像头立柱

 7教学楼外墙安装室外型蓝牙基站
 

 

8室外体育场周边安装达标管理定位基站

 

9教学楼门口安装蓝牙基站收集学生经过数据

 

10学校大门口安装蓝牙基站记录学生出入信息

 



传感网络

学校的传感网络部署采用了3级架构:

最下级的蓝牙基站通过遍布的无线wifi网络连入到学校的网络

每组蓝牙基站所在的网络节点部署1台数据节点服务器,负责传感数据的收集、整理和缓冲

学校机房部署一台高性能服务器用于接受整理后的传感数据并提供Web服务和APP后台服务



11传感网络的总体布局

 


 

应用软件

根据学校的需求,系统软件部分与现有在建数字系统紧密结合,及时同步师生的基本信息、课程安排信息、考勤签到信息、课堂表现评价等数据,同时作为数字系统的有机组成部分为师生提供方便好用的服务和功能。


系统软件部分包括主功能站点和配合手环使用的APP两个部分,其中主站点负责系统数据的收集、分析、展示以及业务数据管理等工作,系统4个主要功能模块手环管理、智能考勤、达标测试、健跑管理的各项功能均在此体现。


手环管理功能

以统计功能为主,绝大多数手环收发管理功能通过与数字发卡系统同步实现,包括“已发手环”,“空闲手环”,“丢失手环”,“临时发放”,“综合检索”等功能模块。

学生手环的正常发放均通过一卡通系统完成,仅在一卡通系统出现问题等特殊情况下负责为学生发放临时手环以保证正常的业务功能。

 




手环监控功能

通过部署在学校室内外的蓝牙基站,实时收集手环定位信号,可以实时显示各区域内的人数和人员列表。

管理员可以设定关注个别手环用户功能,设定后,用户进出监控区域时管理员会收到消息通知,历史消息以滚动增加的形式显示在监控通知页面。

通过此功能,学校能够获得实时、动态的学生分布密度情况,对学生的活动行为偏好,场地课程实际人员密度等直观信息,同时能够监控大型活动中的人员聚集和流动状况,提高活动安全保障。

 


达标管理功能

教师、学生可以在课后、活动后及时获得关心的运动记录信息,目前系统能够根据制定的条件自动计算手环用户的中长跑、仰卧起坐等信息,可以作为用户运动能力和达标成绩的参考信息。

体育老师使用此功能时,系统提供自动收集其教学目标学生在体育课内的各运动项目成绩;学生使用此功能时,可以收集自己在过往任意时间段的指定项目的最优成绩。

 



 

体质健康和健康管理功能

通过手环体征传感器采集用户的运动、睡眠、心率等信息,结合学生在体检时获得的身高、体重、血压等体质参数,给出学生体质变化的综合统计报告,教师可以根据这些数据为学生提供相关的健康建议。此功能的亮点在于能够及时的跟踪和反应学生的体能体征和运动习惯的变化状况和历史波动情况,教师能够准确和及时的为学生提供健康建议,并且支持第三方系统如专家系统等自动生成和推送健康建议。

 


 


 

手环APP部分主要负责在学生运动数据的采集、上报,运动目标设定,以及常用系统功能如个人考勤、课堂评价等功能的移动端实现。

常规健康管理功能

包括日常行走、跑步、睡眠、心率的监控和统计功能。

 


课堂评价、签到和考勤功能

智能感知系统与数字系统紧密结合,为数字提供精确的无干扰的学生到校 、到课传感信息,同时智能感知系统集成学生到校到课、教师参会、学生课堂签到和评价打分功能,教师可以方便的使用移动终端设备自动识别、统计学生到课情况,并给予课堂评价。

适应走班制的精准考勤数据收集功能

随着完全走班制和选课制的逐步实施,学校对于自动课堂考勤功能的需求也愈发迫切,其原因主要有2点:

走班制和选课制的实施,打破了原有的以班级形式排课的模式,对于教师,每个课时所面对的学生无论是数量还是具体人员都在变化,因而无法只凭记忆给出准确的学生签到结果,而逐个点名签到又会占用授课时间

很多课程的授课形式和地点是开放的,传统的点名、打卡的的方式并不容易实施和保证其准确性,例如学校的特色课程、艺术课程、创新课程和需要在运动场所进行的课程等。

具备精准记录学生所在位置的智能感知系统与学生考勤和课堂评价系统的结合完整的满足了这些需求,不仅能够收集任何区域的学生每次出入、停留信息,也为更精确的学生课堂评价提供了更丰富的参考信息。


特色与优势

配备优势

适应走班制的精准考勤数据收集功能

随着完全走班制和选课制的逐步实施,学校对于自动课堂考勤功能的需求也愈发迫切,其原因主要有2点:

走班制和选课制的实施,打破了原有的以班级形式排课的模式,对于教师,每个课时所面对的学生无论是数量还是具体人员都在变化,因而无法只凭记忆给出准确的学生签到结果,而逐个点名签到又会占用授课时间

很多课程的授课形式和地点是开放的,传统的点名、打卡的的方式并不容易实施和保证其准确性,例如学校的特色课程、艺术课程、创新课程和需要在运动场所进行的课程等。

具备精准记录学生所在位置的智能感知系统与学生考勤和课堂评价系统的结合完整的满足了这些需求,不仅能够收集任何区域的学生每次出入、停留信息,也为更精确的学生课堂评价提供了更丰富的参考信息。


特色与优势

配备优势


 

传感网络


 

 

特色:


 

可根据应用密度和需求级别灵活伸缩的部署架构


 

传感网络的部署规模的可伸缩性极强,根据实际应用场景和需求可建设最小2~3台短距通信基站+1台数据处理节点的部署结构,或最大至多个校区,每校区超过200台短距通信基站+10台以上数据节点以及1台中央服务器的全功能传感和计算网络,理论最大支持用户数没有上限。


 

 

优势:部署简单,性价比高,充分利用已建资源


 

无论在何种规模的部署架构中,都一贯秉承快速简单部署的设计原则,系统架构能够根据实际业务需求进行灵活调整,确保每个设备都发挥其最大应用效能,且能够利用所有现有的强弱电基础设施。


 

 

终端设备


 

 

特色:为应用场景特别定制,多个级别可选


 

根据实际的应用需要,终端设备在功能完全兼容的前提下,提供多个级别可选配置,从最低端的完成考勤运动定位和刷卡消费功能的无屏幕手环,到具备独立移动通信和GPS定位能力的智能手表均可提供,成本也从数十到数百元不等;同时所有级别的终端穿戴设备都针对应用场景进行了特别定制,针对学生在学校的行为习惯特征进行了优化调教,提供多环境防水,水下操作,易损件自主更换,室外清晰显示等多种能力


 

 

优势:低功耗,长续航,耐污损,多环境可用,可利旧


 

提供2周到6个月的续航时间(根据设备类型不同),提供高强度UV镀膜或钢化玻璃表屏以提高耐用耐磨性能,提供高达IP68级别的防护性能,游泳、洗澡可用,提供低成本的翻新服务和配件更换服务,对于外观损坏、毕业淘汰等设备进行可重用处理,降低使用成本


 

 

系统平台


 

 

特色:完全开放的通信接口和灵活的部署架构


 

系统平台对内外部提供服务统一使用附带权限管理的RESTFul
  HTTP API
接口,第三方应用接入系统平台无需进行专门的二次开发,平台提供从系统底层传感数据到汇总分析结果再到特定消息通知的多层数据接口,并且鼓励第三方应用提供商已平台数据为基础构建特色应用


 

 

优势:可以方便对接现有及未来软硬件系统平台,同时支持私有和云化两种部署方式


 

开放的体系架构使系统实施中与已有信息系统的结合变得相对简单,典型全功能的数字系统对接时间为1*周;同时用户可以根据需要和人力状况灵活选择系统各层级功能的部署位置,精简方案下部署于的软硬件系统可以达到免维护


 

 

应用设计


 

 

特色:无干扰信息收集、推送和完整的事后追溯能力


 

应用设计秉承无干扰信息收集原则,在不为师生增加任何使用成本的前提下提供相对于卡更加丰富的应用功能,可作为一卡通系统的扩展甚至替代产品。在诸如考勤、达标测试、运动记录和建议等典型应用功能中,所有数据的收集计算工作均在后台自动完成,系统用户在执行上述过程时无需专门为系统提供任何支持,如操作设备、反馈信息等,而当过程完成后,用户可以通过系统获取到汇总数据。


 

 

优势:不增加学生、教师和日常管理人员工作,让学习与教学活动回归本貌与专注


 

可以预见的对于学生细节状态的采集需求将不断增加,智能感知体系的重要设计原则和优势之一是提供全天候无干扰的应用模式,让用户的精力回归到教学、学习活动本身,并且通过应用的逐步深入,能够逐步替代一部分原有的使用环节,如考勤刷卡、课堂会议点名、定期体征测量等,进一步降低了师生在纯学习过程意外的不必要精力和时间成本


 

发展趋势

更细致、广泛的体征和行为收集能力

目前的传感器体系已经能够良好支持定位、计步、心率、血氧、睡眠、体温的跟踪和测量,随着传感器技术的发展和现实需求的提升,未来智能感知的信息收集范围必然扩展到更多类型的数据信息,如正在研究中的血压、呼吸、血脂、肌酸、等反应情绪和代谢情况的体征数据

另外,由于传感器体积、功耗和价格的下降,对佩戴者进行更加精细的运动和行为状态的收集成为了可能,在传统的计步功能之外,还将能够对佩戴者的各种运动姿态进行精确采集,包括各种上肢运动如投篮、划水、铅球垒球棒球投掷等


更多针对应用场景的大数据分析模型

随着系统在内应用的逐步完善和适应,学校对系统的使用将从单纯的对收集信息进行报表式统计向大数据模型化分析发展,结合专业的运动、心理学、教育学领域的研究成果,综合挖掘更深更完整的学生侧写(profile),将以往难于获得的诸如学生学习偏好、社交模式等信息已可量化的方式展示给教育提供机构


更广泛的生态体系

智能感知体系的结构,虽然是基于校内的信息收集和教学需求而产生,但其未来发展必然不会仅限于应用环境,实际上,已经有包括华创视讯在内的智能感知方案提供商正在尝试与移动运营商、网络提供商、云平台提供商合作,打造更加完整的面向学生的智能感知生态体系,其应用内容不仅包括教学应用场景,也同时涵盖了学生不间断体征监测、学生校外安全跟踪与防护、青少年饮食健康和运动处方建议等内容和方向。


智能感知解决方案是华创视讯设计实现的一套为中小学提供智能感知服务的整体解决方案,以可穿戴设备为信息收集的基础和主要来源,结合内部署的数据采集网络和数据分析软件系统,以网络应用、APP等形式为师生提供多种表现形式的服务。

整套解决方案,包括智能感知网络,智能感知终端,智能感知分析系统,智能感知开放平台,等4个组成部分。

智能感知网络

利用现有的有线、无线网络和移动运营商网络为基础服务平台,接入多种专用信息收集、数据处理节点设备,建立起覆盖以及校内外的信息传感网络。

与智能感知终端结合,网络可以根据功能策略和用户需求,灵活设定每种类型信息采集的频度和粒度,甚至可以针对每个用户设定独立的信息采集规则;依功能设计和建设级别的不同,可以采集从基础用户定位信息、日常行走、睡眠信息到用户心率、血压以及用户情绪、运动强度、运动姿态等综合分析结果在内的多种数据内容。

 


智能感知终端

智能感知终端利用教师、学生随身的穿戴设备和移动设备——包括RFID卡片,运动、健康手环,智能手表、手机等,通过无线通信的方式与(智能感知网络)进行数据交互,根据实时更新的策略设定动态采集佩戴者的体征数据和定位数据,实时上传数据,并接收网络发送的通知、提醒信息。同时,提供高度集成的应用功能,如时间、消息显示,卡应用(消费、图书借阅,门禁)等

 


 

智能感知分析系统

根据智能感知网络)收集、记录的感知信息,进行业务建模和分析,为业务场景生成具有现实使用价值的数据分析结果,依数据统计层级和业务功能划分,包含如下子功能模块:

基础信息配置和管理系统

定位考勤管理和分析系统

位置、体征和运动状态实时状态通知发布系统

体育/体质达标记录自动收集和管理系统

个人运动及健康监控和指导系统

 


智能感知开放平台

通过一系列系统间数据接口,根据授权策略对第三方应用开放解决方案中不同层级的数据,提供灵活的功能扩展和数据深度挖掘支持,包括:

数字基础数据同步

数字应用功能接口

基础感知数据推送接口

高级挖掘应用数据源

开放报表系统

设备清单

 

基础设备

 


可选设备

 


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