一种基于低功耗电子校徽的智能校园管理方法

摘要

本发明提出一种基于低功耗电子校徽的智能校园管理方法，结合学生的使用场景并考虑到后期考勤的管理及异常的监控等，提出高功耗、低功耗、运动、休眠及心跳五种功耗管理模式，同时在模式切换时提出最小算力转换方法，极大降低了系统功耗，解决了校园环境下，智能电子校徽功耗不可控，缓解学生一天课程还未结束，电子校徽就已经没电的情况。并通过BLE技术获取电子校徽的信息，实现远程考勤打卡，解决了走班制不容易进行考勤管理问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电子校徽技术领域。

背景技术

电子校徽目前已在校园中应用，其可以别在胸前，通过安置在校门口的感应器捕捉电子校徽的信息，把学生进出校门的时间传输给终端服务器，方便考勤，同时为老师、家长和学生之间搭建起信息交流平台。如申请号为202010706972.8的发明专利公开一种基于NB物联网的电子校徽装置及其管理方法。其中，基于NB物联网的电子校徽装置，包括卡体，设于卡体上的PCB板，电池，及定位模块；电池和定位模块均与PCB板连接；PCB板上设有NB-IOT通信模块，WIFI模块，加速度传感器。本发明实现了对师生的出勤、迟到、早退状态实时监测，高效保障师生在校安全，以校园为界限，划定电子围栏，使电子校徽定时上报位置信息，自动统计师生进出校园的时间及次数等信息，对出勤等信息进行统计分析，免去了教师大量的考勤统计工作，还可实时获取各师生在校活动情况，避免学生逃课，在家长老师未知情的情况下离开校园带来的安全隐患。

如上技术存在如下缺陷：1、电子校徽一直处于工作模式，功耗消耗较高，在校园环境下不方便给电子校徽充电进而导致设备关机，学生异常情况不能监控等问题；2、通过刷卡考勤，一方面麻烦，另一方面，学生如果刷完卡就走，不能确定学生上课期间都在教室，无法精确实现走班考勤。

发明内容

为解决现有电子校徽存在的校园走班考勤难，设备功耗高且校园环境不方便充电导致设备关机等问题，提出一种基于低功耗电子校徽的智能校园管理方法。

步骤A1、判断电子校徽是否进入校门，若是，进入高功耗模式，否则维持休眠模式；所述高功耗模式下，主控制器、系统时钟、IMU、BLE、GPS、GPRS均处于工作状态；

步骤A2、判断电子校徽扫描到的环境中的MAC地址，是否与校徽本地的MAC进行匹配，如果有一个MAC地址匹配上，则发送考勤信息，并转入运动模式，否则发送异常命令；所述运动模式下，主控制器、系统时钟、IMU、GPS、均处于工作状态，BLE和GPRS处于休眠状态；

步骤B、判断检测到的MAC地址是否固定，若是，转入低功耗模式，否则维持运动模式；所述低功耗模式下降低主控制器的工作频率，系统时钟、IMU、均处于工作状态，BLE、GPRS和GPS处于休眠状态；

步骤C、判断学生是否处在上课时间段，若是，转入心跳模式，否则维持低功耗模式，所述心跳模式下，主控制器、系统时钟、GPRS、均处于工作状态，BLE间隔10分钟上线一次，IMU和GPS处于休眠状态；

步骤D，判断是否检测到放置在家中的从设备的BLE的MAC地址，若是，转入休眠模式，否则处于高功耗模式，所述休眠模式下，主控制器、系统时钟、IMU、BLE、GPS、GPRS均处于休眠状态。

进一步地，所述步骤B中在低功耗模式下进一步包括，电源管理模块上电量计监测到的系统电量，判断是否进入休眠模式，若低于电量阈值，则直接从低功耗模式切换到休眠模式。

进一步地，所述步骤B中在低功耗模式下进一步包括，判断

进一步地，所述步骤C中，通过判断ACC

进一步地，所述步骤A1中，通过判断是否检测到电子校徽刷进入校门RFID阅读器进而判断电子校徽是否进入校门。

进一步地，所述步骤A2运动模式下还包括：启动GPS对学生位置信息进行监护，如果GPS信息出现异常，比如定位到校外，则直接从运动模式切入高功耗模式，再通过BLE进行扫描，判断当前环境下是否有校园BLE发生器MAC地址，如果有则判定为GPS误判，再次切回到运动模式，如果未检测到MAC地址，则会一直处于高功耗模式进行学生位置监护。

进一步地，各模式下通过三色LED指示灯状态进行区分，所述运动模式下为绿灯常亮；所述高功耗模式下，红灯常亮；所述低功耗模式下为白灯常亮；所述心跳模式下为白色呼吸灯；所述休眠模式下三色LED指示灯关闭。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

1、结合学生的使用场景并考虑到后期考勤的管理及异常的监控等，提出五种功耗管理模式，解决了校园环境下，智能电子校徽功耗不可控，缓解学生一天课程还未结束，电子校徽就已经没电的情况。

2、通过BLE技术获取电子校徽的信息，实现远程考勤打卡，解决了走班制不容易进行考勤管理问题。

附图说明

图1为本发明电子校徽的智能校园管理系统原理框简图；

图2为本发明电子校徽原理框图；

图3为本发明实施例中功耗状态切换示意图。

具体实施方式

本发明在提出之初充分考虑学生群体的特征：上课坐着的时间长，运动的时间短，异常情况出现需要立即响应。但是立即响应也就意味着系统不能处于简单的休眠模式，必然导致系统整体的功耗很高，为了满足高实时性、检测精度要求且系统处于低功耗的状态，申请人根据学生的应用场景进行状态切换，以满足实时的监控学生状态的需求为前提，来实现低功耗管理。结合学生的使用场景并考虑到后期考勤的管理及异常的监控等，本申请设计五种功耗模式：休眠模式、心跳模式、运动模式、高功耗模式，五种模式下功耗的排名依次增大。进一步，本发明面临的实现难点在于，五种模式切换必定消耗系统算力，如何在多模式切换下进一步降低功耗是本发明面临的课题之一。在充分考虑现有切换方法的弊端基础上提出了新的方法来满足实时性和低功耗的需求。

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

本发明涉及到的硬件设备参考图1及图2，电子校徽包括主控制器MCU，与MCU相连的BLE模块、射频模块、GPS模块、GPRS模块、IMU模组及电源管理模块、三色LED灯。智慧校园管理系统中，电子校徽由于其体积小，内部的电池小，所以具备低功耗处理能力非常重要，不同场景下设备会进入不同模式，不同模式的功耗都不一样，最终的目的都是为了降低整个系统的功耗。整个系统中外设耗电量主要由IMU、BLE、GPS、GPRS四个模块组成，其中耗电量大小排行为：GPRS>GPS>BLE>IMU，结合学生活动的状态设为运动模式、高功耗模式、低功耗模式(正常工作状态)、心跳模式(超低功耗)、休眠模式。通过设置相应的条件进行状态切换，各模式下通过三色LED指示灯状态进行区分，运动模式下为绿灯常亮；高功耗模式下，红灯常亮；低功耗模式下为白灯常亮；心跳模式下为白色呼吸灯；休眠模式下三色LED指示灯关闭具体参考图3，下面一一介绍。

一、高功耗模式

该模式主要针对异常情况或者就餐时间段，该模式下，主控制器、系统时钟、IMU、BLE、GPS、GPRS均处于工作状态。其他模式到高功耗模式的转换如下：

1、从休眠模式到高功耗模式

学生上课进校园的时间段，设备从休眠模式，即检测到电子校徽刷进入校门RFID阅读器，电子校徽系统被激活，直接进入高功耗模式。参考图1及图2，电子校徽的射频模块被校门口的RFID阅读器激活(电子校徽的射频模块连接电量计(FG)上，电量计获取到标签产生的感应电流，通过流过固定电阻的感应电流来计算流过的电荷量，通过判断电荷量就可以是否是校门口的RFID阅读器，当为产生的电荷量在设定阈值范围内，就表明有校园RFID阅读器将其唤醒，那么电量计(FG)就发送中断信号来唤醒电子校徽系统)，接着电子校徽通过GPRS获取UTC时间，同步系统时钟，同时打开BLE进行扫描，寻找当前环境的其他BLE设备，为快速切换到运动模式做准备。由于GPRS获取UTC时间消耗的功耗高，为了降低功耗，只在高功耗模式下会同步时钟，其他模式使用系统本地时钟即可。目前大部分的休眠状态模块工作状态为：外设逐步掉电，最后只有CPU或者多核CPU部分核工作，其功耗消耗为毫安数量级，而本发明，休眠模式下全部掉电，主芯片和所有主板上的设备全部掉电不工作，基本上处于只有漏电流的状态，功耗超级低，处于微安数量级。

考虑到现有情况会出现有学生刷完RFID考勤卡，却未进入校园，但考勤系统中显示进入校园的问题。此时，BLE寻址校园环境内的BLE收发器的MAC地址，只要该地址被存到/persist分区，也就是找到了校园内的MAC地址，之后才会通过GPRS发送入校信息给考勤系统，当考勤系统中收到门禁系统考勤信息和电子校徽发送的信息之后，才计算该学生入校考勤正常。

2、从休眠模式到高功耗模式

电子校徽整个系统进入休眠后，主控制掉电不工作，系统基本上只有漏电流。为了唤醒系统，将无源的RFID(射频模块)与电量计连接到一起，这样通过电荷电量估算电路，就能读出其中标签的电流变化，且电路简单不会消耗太多电电量，且电量计能发送唤醒系统指令。电量估算电路原理如下：当电子校徽刷学校的RFID阅读区会产生感应电流，产生的感应电流被整流电路整流之后，流过设置的检流电阻RL，而电量计的ADC(多通道模数转换器)会持续检测检流电阻的压降，通过电量计的ADC读取变化的检流电阻两端变化的压降，通过已知时间并持续的变化电压值与已知的电阻RL就能算出该时间段流过该检流电阻的电荷量。

在电源管理模块上的电量计FG每隔60分钟会发出中断信号(System_On_INT)信号唤醒系统一次，从休眠模式进入高功耗模式。进入高功耗之后，会通过GPRS获取UTC时间，定时唤醒系统主要是检测系统各模块的上下电是否正常，各模块都会被上电一次，成功上电之后，系统接着再次进入休眠状态，以最低功耗状态运行。

3、运动模式到高功耗模式

运动模式中，启动了GPS对学校位置信息进行了监护，如果GPS信息出现异常，发现学生位置定位到校外，设备马上从运动模式切入高功耗模式，打开BLE进行扫描，判断当前环境下是否有校园BLE发生器MAC地址，如果有则判定为GPS出现了漂移值，出现误判，再次切回运动模式。该方法在记录学生坐标的同时有效的解决了常见的GPS漂移错误。如果无法扫描到BLE发生器MAC地址，判定为异常情况，设备将持续记录当前位置信息。

二、运动模式

该模式针对体育课、吃饭或者活动课场景设置的模式，该模式下，主控制器、系统时钟、IMU、GPS、均处于工作状态，BLE和GPRS处于休眠状态，其他模式到运动模式的转换如下：

1、低功耗模式到运动模式

当学生拿到校徽的时候需要有动作采集操作，记录该学生的正常走路过程的平均

低功耗模式下，校徽一直扫描环境中的BLE设备，如果没有扫描到教室内固定前后的BLE收发器的MAC地址，就表明学生可能离开教室了，需要使用IMU来计算学生的状态，本发明计算的方法是利用加速度强度均值，加速度强度均值为

其中，每秒检测10次IMU的加速度值，ACC

重力加速度一般技术人员把这个参数作为一个方向矢量，不会作为一个状态评判依据，由于计算机做重复的工作的功耗比做多任务工作消耗的更低，所以本发明增加计算的时间，比如n值为600，也就是60秒才进行状态切换，减缓状态切换的速度。考虑到每个学生正常走路和运动时候加速度变化量是不确定的，本发明采用了数据采集方式，采集学生正常走路的加速度强度均值

2、高功耗模式到运动模式

检测到电子校徽刷进校门的RFID阅读器之后，进入高功耗模式，然后设备一直扫描环境中的MAC地址，而校园内部的所有BLE发生器MAC地址都被写入到校徽本地的/persist分区，将扫描到的MAC地址都与校徽本地的MAC进行匹配，一旦有一个MAC地址匹配上，就表明该学生刷了校园校徽进入学校，且已经靠近教学楼，如果一段时间后还是没有检测到能匹配上的MAC地址，就会发送一个异常命令给学生服务系统，学生服务系统就发送定位需求命令给校徽，这时候校徽开启GPS进行定位，确认是否在校区内。这样的双重验证方式，规避了在校园门口刷完校园卡，却未走进学校的现象，而设备发送完考勤信息，设备就从高功耗模式进入运动模式，以最快的方式进入功耗低的状态，降低工作电流。

本发明通过使用环境中的其他设备来(其他学生或者校内固定设备)来证明该学生在校内，伴随着被检测到的校园环境中其他设备的数据量增加，系统从高功耗模式切入运动模式速度也越来越快。

三、低功耗模式

针对学生在校期间，除了上课时间之外，会主动切入该模式，该模式下，主控制器MCU的频率会低于30MHz，降低系统消耗的电流，系统时钟、IMU、GPS、均处于工作状态，BLE和GPRS处于休眠状态。该模式是系统默认模式，也是正常工作模式。其他模式到低功耗模式的转换如下：

1、心跳模式到低功耗模式

心跳模式期间，电子校徽的时钟正常工作，且上下课时间是固定，当到下课时间段，系统自动切换到低功耗模式。

2、运动模式到低功耗模式

检测到固定的BLE的MAC地址就直接切换到该模式。校园环境中的有些固定的装置(比如教室内的BLE收发器)，学校环境中的BLE收发器的MAC地址会在设备出厂的时候根据学校需求而被写入。在低功耗模式期间，会进行考勤管理。BLE的MAC的双向寻址进行考勤管理。每个教室内都有前后两个BLE-F收发器和BLE-E，校徽内的BLE对当前环境进行扫描，教室前面的BLE-F收发器是主设备，它记录扫描到的所有MAC地址为MAC

四、心跳模式

该模式为上课期间的超低功耗模式，其他模式到心跳模式的转换如下：

1、低功耗模式到心跳模式

上课时间段，低功耗模式切换到心跳模式，进入心跳模式切换条件：

低功耗模式下不断的扫描教室固定的BLE的MAC地址，如果检测到了之后，就判定为准备进入心跳模式切换，因此需要计算校徽的加速度瞬时变量ACC

欧拉距离ACC

心跳模式是工作模式中能量消耗最低的状态，所以设计思路是该模式能进去就进去，误入该模式也比系统待在其他模式中功耗低，所以对比临近的数据，来进行判断，如果没有进去的话，每秒钟都要判断一次，目标是尽可能的让系统进入该模式，本发明采用欧拉距离均值来做学生状态的判断，欧拉均值能避免学生的一些轻微摆动导致判断错误，所以在学生坐下后，比如抖腿，或者身体轻微摆动，不会影响系统的判断，只有前后两次检测发现变化量非常剧烈，才会判定为不能进入心跳模式。这让整个系统的实时性提高，为快速的进入心跳模式做准备。

关于教室上课时候的考勤管理如下：

当学生坐下后，IMU的数据变化不大且时间处于上课时间段，系统会切换状态到心跳模式，这时候BLE会每隔10分钟上电一次，每次持续5分钟，当BLE上电后，每个教室内的考勤记录模块中的蓝牙扫描模块就会记录范围内的所有BLE的MAC地址，因为BLE的MAC地址是唯一的，BLE的MAC地址与学生ID号绑定，考勤记录模块将读取到当前范围的所有MAC地址发送到服务器，进行考勤管理，每次BLE上线的同时，也会扫描当前环境的MAC地址，记录当前系统时间和10个MAC地址，将数据记录在本地。

当远程学生考勤管理服务器检测该设备有考勤异常，可以通过无线网络发送轮训信息给该电子校徽，该电子标签，会将它检测到的本地MAC地址数据发送给远程学生考勤管理服务器，如果电子校徽本地记录的10个MAC地址与服务器中已经保存的MAC地址相同，则消除异常，判定该学生为漏检。如果MAC地址不一致，则该学生考勤异常。

五、休眠模式

该模式下，主控制器、系统时钟、IMU、BLE、GPS、GPRS均处于休眠状态。其他模式到休眠模式的转换如下：

1、低功耗模式到休眠模式

在低功耗模式下，电量计FG检测系统电量如果低于5％，直接从低功耗切换到休眠模式。

2、高功耗模式到休眠模式

有两种情况会出现高功耗模式切入休眠模式，第一种情况休眠模式到高功耗模式再到休眠模式，具体见高功耗模式。

第二种情况，当学生刷完离校RFID读卡器之后，立即进入高功耗模式，为了确保学生安全回到自己的家才进入休眠模式，电子校徽会一直扫描BLE，检测是否出现从设备BLE的MAC地址，从设备的BLE安装于电子校徽的充电底座，当检测到从设备的BLE，从设备会发送休眠指令，电子校徽接收到之后，进入休眠模式，外设全部掉电，只有与电池连接的电量计工作，最大限度地降低了系统的功耗。

本发明在学生离开学校之后，一直处于高功耗模式，是为了学生安全守护，使用充电器的设备发送指令，来进入休眠模式，这样能确保学生处于安全的环境中系统才不工作，虽然功耗提高了，但作为校徽更要保证学生的安全监护，一旦确保环境安全，校徽马上就会进入微安级别的休眠状态。

现有电子校徽控制系统为了保证一直能对学生状态进行监护，整个系统处于工作模式，那系统大约有162mA工作电流消耗。而本发明根据统计分析得出学生在校期间有60％时间是处于上课期间，25％的时间处于课间或者休息，15％时间处于活动状态，以10个小时在校时间来估算，那么：1、在15％时间处于运动状态，本发明关闭GPRS和BLE会为系统省下61mA电流。也就是37％的能量2、在25％的课间或者休息期间，处于低功耗模式，系统采用加速度强度均值/欧拉距离的计算算法，节省10mA的工作电流，关闭GPRS和GPS剩下68mA的工作电流，整个系统剩下78mA的电流，也就是47％的电流。3、以60％的上课期间，处于心跳模式，系统关闭了GPRS、GPS、IMU这些不必要工作的模块，甚至让BLE工作状态是10分钟上线一次，同时让主控制器也处于低频工作状态，整个系统的功耗在10mA的状态，那么系统会剩下93％的功耗。4、回到家之后，系统处于休眠，低功耗方案的休眠与一般系统功耗消耗的能量相差60-160倍，且低功耗方案的休眠是微安级别，可以忽略其能量的流失。

根据上面在校期间的区别来估算，若以一天10个小时在校时间来使用，采用本发明方法后，在保证学生状态被监护，使用时间变成了38个小时，极大地延长了使用时间。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。