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原文：
原文出处：
会议：INTECH 2016
论文名称：A Ubiquitous Smart Educational System:
Paving the Way for Big Educational Data
页号范围：P233-P238
作者：Aoun Lutfi, Fares Saidi, and Mohamed Watfa 2016
译文：
无处不在的智能教育系统：为大教育数据铺平道路
摘要：
无处不在的计算是一种日益增长的趋势，人们将传感器嵌入日常对象中以便它们可以无缝传输信息。在教育机构中，无处不在的NFC（近场通信）技术可以为日常的学生-家长-教师操作提供全新的解决方案。在此研究项目中，我们严格分析并提出了一种易普及的系统，该系统利用创新的移动和传感器技术来弥合一方面是师生间及父母和学生之间的鸿沟。更具体地说，定制的NFC手环可作为学生标识，并为父母、学校行政管理人员和职员提供与之绑定的移动应用程序。该研究旨在在阿拉伯国家建立一种教育模式，使我们能够了解父母/教师/学生关系的动态，以支持当代社会的教与学。我们的系统将允许父母持续无缝地跟踪孩子的行踪，实时获取他们的学业表现和食堂使用情况，并监控他们的成长阶段并将其与通用标准进行比较。值得强调的是，我们提出的研究并非具有最终目的，而是作为获取阿拉伯世界“大教育数据”的手段，因此具有很高的创新价值，从而为该领域的未来研究提供了基础性工作。
第一节 引言
无线和移动计算的最新发展使我们今天比以往任何时候都更能够为孩子提供家庭学校改造服务。移动电话的普遍使用提供了令人信服的理由，这已成为采用基于短距离无线系统的影响因素，尤其是在大多数人拥有移动电话的情况下。近场通信（NFC）是一项相对较新的技术，但正在成为无处不在的计算领域的领导者。它的低功耗要求以及发射器和接收器的小尺寸使其可以实现更大且更容易的扩散[1]。NFC是RFID的一种形式，可在10厘米范围内工作，并允许主动或被动通信。在无源通信中，一个收发器不需要外部电源，而是通过主收发器产生的电磁波接收其电源。这种通信通常用于衣服或广告牌中嵌入的标签和芯片中。在这种情况下，读取器（例如智能手机）将是从NFC标签请求信息的主要收发器。在主动通信中，两个设备（例如两个智能手机）交换信息；这可以在最远15厘米的范围内完成[2]。最大数据传输速率约为500 Kbps。NFC支持三种操作模式，包括读取器/写入器模式，卡仿真模式和对等模式。由于我们仅使用一个移动设备，因此本研究的重点将放在读取器/写入器模式上。由于近距离需求，安全性在NFC中通常不是问题。NFC可能遭受的攻击类型包括：窃听，数据损坏，数据修改，数据插入和中间人攻击[1] [3] [4]。NFC被广泛应用于各种应用中，其中近几年见证了巨大的进步。从复杂的IT和信息系统到电子商务移动商务，各个行业都有各种各样的实现方式。[4]。NFC利用率已经看到自从推出智能手机里出现过的智能手机应用程序过多，使使用这种技术的使用，使NFC实现所有因学习曲线短，所需的热潮[5] 。NFC在智能手机上的一些新兴应用包括访问控制，P2P数据传输，产品信息，基于位置的信息，基于室内的导航，教育，医疗应用，移动支付和移动票务[6]。教育是NFC实施中尚未探索的领域之一。最常见的实现方式是用于出勤跟踪和检查，其中已经进行了许多现场测试，这些测试表明使用NFC标签作为一种方便进行出勤程序的识别形式是成功的[7] – [8] [9]。其他实现包括增强现实应用程序，该应用程序允许在化学教室内进行更大程度的交互。它包括许多基于计算的功能以及对不同标签化学品和材料的NFC扫描[10]。另一种类似的实现方式是通过构建支持NFC的环境并将多个标签存储在不同的对象上，从而针对3-13岁的儿童；该应用程序的目的是鼓励学生四处走动，并激发快速反应和互动[11]。
近场通信应用开发的成功率不断提高，证明了该技术已经达到了很大的范围，并突出了其当前和未来的潜力。所进行的研究项目超出了当前范围，旨在创建一个新系统，该系统结合了当前解决方案中已经存在的某些功能（移动支付和出勤），并扩展到包括一个提供大量信息的综合学校管理系统。关于学生，老师和父母的信息，可用于数据分析以研究学生，父母和老师之间的三向关系。最重要的是，我们无处不在的解决方案可以让家长毫不费力地参与学生在校活动，包括购买自助餐厅和潜在的过敏冲突，公交车跟踪，课堂表现，学生成长率相比其他同学。开发的移动应用程序是一个全面系统的一部分，该系统具有面向学生的NFC识别标签，数据库以及具有NFC技术的手机，分发给学校工作人员和学校行政部门，并可由父母使用。如前所述，我们提出的研究具有很高的创新价值，并非作为目的，而是为实现更大目标的一种手段。它充当所有在校学生与现有教育基础设施互动的数据存储库。该移动应用程序已经在中东的两所学校中部署，另外五所学校将在下一学年加入该网络。
本文的其余部分安排如下。在第二部分中，我们提供了有关普适计算和NFC的相关研究工作的全面综述。在第3节中，我们提供了我们的移动应用程序设计框架。我们将在第4节中提供数据库的设计，并在第5节中总结本文。
第二节 文献综述
围绕普适计算和自主计算有很多令人兴奋的事情，特别是在无线传感器网络和RFID领域。过去，无处不在的计算领域呈指数级增长，并有望成为在人类努力的各个方面广泛应用的关键工具。传感器网络和无处不在的计算的应用范围从外太空探索，电子医疗应用[12]，3D巡逻和覆盖[14]，水下发现[15]甚至为盲人提供视力解决方案[13]。过去，这些传感器和无处不在的系统的激增，再加上当前移动互联网和教育系统的增长，表明了不断获取信息和计算能力的鼓舞的新范例。
已经发布了有关NFC系统和学校出勤系统的许多研究工作，以试图增强当前繁琐的手动出勤系统。有多种建议的解决方案，其中一些需要完全在线连接的解决方案，而另一些则可以脱机工作。在[16]中，作者提出了一个桌面应用程序，一旦该应用程序运行，该应用程序将向教师提供所有已注册学生的列表。利用了简单的触摸和点击系统。其他研究工作包括[17]，学生可以使用客户端服务器套接字程序[17]注册到考勤系统。尽管[16]和[17]没有使用复杂的NFC或无处不在的解决方案，它们确实被认为是对当前手动考勤系统的一种改进。[18]中的作者讨论了这样一个事实，即当前的考勤系统被忽略，并且没有太多工作来监视它们。
用一个。NET环境和Oracle数据库，他们提出了一个独特的出勤系统，该系统既在线又使用学生证。他们的工作突显了无线识别系统在考勤管理中的潜在优势。[19]中的作者提出了一种考勤系统，该系统使用包括学生指纹在内的生物测定方法来跟踪考勤情况。[20]中的作者提出了一种系统，该系统允许SMS和Email与每个学生使用RFID标签的父母和其他员工进行无缝通信。他们的系统还用于时间管理，同时监视员工的入住和退房。在[21] – [22]中提出了RFID微控制器收发器模块。协助教职员工和学生的监督。还讨论了与外部数据库的通信。
欧洲高等教育区（EHEA）已与开发和实施用于大学的智能系统联系在一起，以创建一个智能环境和学校。EHEA项目的愿景是创建一个无处不在的智能系统，使产品和物品可以无缝地相互交互，并着眼于教师和员工面临的问题，并尝试减少花费的时间。显然，学生和教师都需要在他们的手机上安装移动应用程序，这在我们的案例中是不可行的[23]。[24]，[25]中充分讨论了使用无线技术的大学日常活动。。生物特征识别与NFC访问控制相结合，以规避假冒行为。从NFC标签或ID到专用阅读器的简单点击或触摸手势都可以导致功能被执行。NFC系统实施的简单性使许多研究工作受益于NFC系统的实施，以从事不同学科的各种研究项目。例如，SmartTouch是一系列利用NFC技术的项目，例如医疗应用，防盗警报系统，学术和学校应用，使用手机进行无现金支付，票务，RFID智能海报，学校出勤系统，家庭使用，家庭访问控制和安全性[26]。考虑到3分钟的时间限制，超过3分钟的时间将被视为学生缺席，家长会立即收到关于学生出勤的答复。如果学生没有通过触摸标签登录，则系统默认将其标记为缺席。系统最初会在开始时间的3分钟后计算延迟时间，但后来更改为首次注册学生后的3分钟，因为老师有时可能会因其他职责而迟到。教育方面的另一项类似工作是[27]的工作，其中为学生提供了带有私人信息的NFC卡，并且该信息将用于出勤目的和与父母沟通。在[28]中分析和讨论了基于NFC的考勤系统的收益和诉讼。 家长和教师之间就使用此类系统的积极影响达成了共识。
NFC的其他流行应用包括POS（销售点）域，在该域中，付款方式对于最终用户来说更加快捷方便。例子包括Google Wallet，这是一个独特且可行的概念[29]，[30]于2011年推出，它基于Google OS和免费应用程序。其他例子包括SIMpass技术，这是一种适用于中国市场的适用于移动支付的不同方法[31]。[32]中的作品 讨论了NFC系统与现有社交网络服务（SNS）在事件管理中的集成，其中他们的Twitter ID和NFC标签将被用于通知参加会议的其他朋友的参加者，或者甚至根据共同的利益推荐一些人成为朋友和其他条件。
- 移动系统设计
Smart Educational System是一个全面的管理解决方案，主要由在Android OS上开发的客户端应用程序，随附的数据库和在后端运行的智能算法组成。移动应用程序为使用该系统的每个人提供了一个界面。教师，行政人员，学生，父母，公共汽车司机，收银员和自助餐厅人员。可以通过一个登录页面访问所有不同的界面。在创建用户时分配每个用户的登录信息。唯一的例外是学生，他们可以通过扫描他们的NFC标签访问各自的页面（如图2所示）。我们与拟议中的研究项目相关的独特移动应用程序的功能是多种多样的，可以归纳如下图1所示。：
与公共汽车相关：在这种情况下，当学生乘坐公共汽车时，服务员将使用支持NFC的电话无线读取学生的腕带，并将其实时转发到学校服务器，当与GPS本地化系统集成时，它将允许父母（和学校管理人员）自动知道孩子是否已登上公共汽车，或未按计划登上公共汽车，以及他们当前的位置和走的路。另外，当在学年初计划学生公共汽车的分配时，要求父母在其家庭住址时只需扫描他们的学生腕带即可。我们的后端算法将收集扫描腕带的所有GPS坐标（使用移动定位服务），并生成以学校位置为中心的地图。利用图论，我们会根据公交车经过同一组中的所有学生时采用的最佳总路径（以最短的持续时间）智能地对学生进行分组。我们系统中的此功能非常独特，因为它允许居住在不同位置的学生在前一天晚上简单地标记他们的腕带，然后公交车司机会自动被定向到新位置。
与学校相关：进入学校后，学生将其NFC腕带轻拍到学校入口处的NFC移动阅读器，从而为自动出勤报告提供数据，以指示哪些孩子以及何时到达。然后，收集到的信息将存储在学校的云后端服务器上，并立即与家长进行通信。在每个教室的门口都将安装一个类似的系统，该系统将生成该班级的出勤记录，从而为老师每节课节省大约宝贵的时间。每个学生的NFC腕带还可以在安装了我们的移动应用程序的设备上即时登录所有学校相关服务，从而消除了输入用户名/密码的麻烦。该功能非常重要，因为父母总是以一种便捷的访问方式和人机交互来激励自己。我们的移动应用程序中与学校相关的其他功能包括传统的学校和考试日历更新以及推送通知，班级备忘，视频存储库，学校公告，每个父母可以访问的每个学生的学习表现。
自助餐厅相关：NFC阅读器安装在学校食堂，将以不同方式使用。通过使用该系统跟踪自助餐厅内的出勤情况，学校将能够减少学生减少午餐时间的发生率，从而制定更健康的饮食计划。同样，每个标签上保存的信息包含学生可能有的任何食物过敏，因此我们的系统将阻止学生购买特定的食物。此外，在这种情况下，NFC腕带将用作电子钱包，允许学生进行无现金购买。父母将被告知其子女的自助餐厅余额和重新填充的选项。在我们的系统中，非常有趣的是我们如何允许父母根据需要进行干预。如果需要一些紧急的要求，父母可以直接与自助餐厅的人交流，甚至可以通过导师与学生交流以帮助他们。这种互动是我们系统的关键部分。
残疾学生：由于缺乏创新的解决方案，全国范围内的学校没有为残疾学生提供特殊待遇。使用我们独特的系统，残障学生还可以使用他们的NFC腕带来获得特殊服务，包括私人浴室，电梯，甚至还可以寻求帮助。后一种选择是我们应用程序的一个非常独特的功能，因为它允许残障人士在学校的特定关键位置简单地扫描腕带，并且学校管理人员会来帮助他们。
与医疗健康有关：我们还设计了一项与医疗有关的功能，包括在学校诊所附近的NFC读取器，该读取器允许学生扫描
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