基于Python Tkinter課堂手機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張喜紅，王玉香

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 亳州 236800)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的快速到來，使得智能手機(jī)與人形影不離。高校大學(xué)生群體中幾乎人手一部智能手機(jī)，已成為他們進(jìn)行人際交往、信息獲取、休閑娛樂、生活購物等活動(dòng)的得力工具。智能手機(jī)給學(xué)生生活帶來了積極意義的同時(shí)，也對(duì)大學(xué)課堂產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響，成為當(dāng)前課堂的“隱形殺手”之一，學(xué)生在上課聊QQ，看網(wǎng)絡(luò)小說、打游戲的行為極其普遍，隱形逃課之風(fēng)日趨高漲。有些學(xué)校為了制止這些不良行為，采取上課之前強(qiáng)制收繳手機(jī)等措施。然而，在大力推行“智慧課堂”的時(shí)代下，采用如此霸道的監(jiān)管方式顯得不盡人意，如：學(xué)生在課堂上可能需要應(yīng)用智能手機(jī)進(jìn)行檢索文獻(xiàn)、共享資源等學(xué)習(xí)行為[1-3]。由此可見，探索一套有效的監(jiān)管方式，使智能手機(jī)由課堂“隱形殺手”變?yōu)椤罢n堂助手”，極具意義。

基于上述背景，以亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有多媒體教室的硬件資源為基礎(chǔ)，兼顧課堂“藍(lán)墨云”班課的使用，基于Python語言設(shè)計(jì)了一款課堂手機(jī)輔助管理系統(tǒng)，建立了通過無線路由局域網(wǎng)對(duì)學(xué)生手機(jī)終端行為的監(jiān)管、考評(píng)、激勵(lì)機(jī)制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了教師按需控制局域網(wǎng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)的組成及工作流程

系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由教師電腦終端、無線路由器、學(xué)生智能手機(jī)終端組成。無線路由器WLAN端口接入Internet網(wǎng)絡(luò)，教師電腦通過有線或無線方式接入無線路由器，學(xué)生智能手機(jī)終端通過Wifi連接到無線路由器，組建班級(jí)局域網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是：智能手機(jī)同一時(shí)段內(nèi)只能選擇WLAN或數(shù)據(jù)流量訪問Internet網(wǎng)絡(luò)，即學(xué)生手機(jī)加入班級(jí)局域網(wǎng)指定的Wifi無線路由器后，只能通過此無線路由訪問Internet互聯(lián)網(wǎng)，要想通過其他網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)流量訪問Internet互聯(lián)網(wǎng)，必須先斷開與班級(jí)局域網(wǎng)的連接。同時(shí)，學(xué)生智能手機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址具全球唯一性，無線路由器的管理頁面大多給出了當(dāng)前接入設(shè)備的MAC地址信息列表。因此，在事先建立班級(jí)成員手機(jī)MAC地址統(tǒng)計(jì)信息表的基礎(chǔ)上，通過掃描無線路由器接入設(shè)備的MAC地址信息列表，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生手機(jī)與班級(jí)局域網(wǎng)的連接狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)把握學(xué)生的行為動(dòng)向。

具體實(shí)施流程如下：

①課前教師事先統(tǒng)計(jì)班級(jí)學(xué)生姓名或?qū)W號(hào)與其手機(jī)MAC地址的對(duì)應(yīng)信息表。

②上課時(shí)，要求班級(jí)成員通過密鑰接入指定的無線路由，與教師電腦組建局域網(wǎng)。

③教師電腦端通過課堂手機(jī)輔助管理系統(tǒng)軟件，按1min時(shí)間間隔，周期性自動(dòng)提取接入無線路由器的學(xué)生手機(jī)MAC地址列表信息，并與步驟①中的MAC地址信息表進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)每位學(xué)生在一個(gè)課時(shí)內(nèi)連入指定無線路由網(wǎng)的次數(shù)。

④課程結(jié)束后，將步驟③中得到的每課時(shí)連網(wǎng)次數(shù)直觀展示，并按一定的比例納入平時(shí)成績(jī)考評(píng)體系，進(jìn)而激勵(lì)學(xué)生課堂規(guī)范上網(wǎng)。

⑤當(dāng)教師需要使用“藍(lán)墨云”等Internet互聯(lián)網(wǎng)軟件與學(xué)生開展互動(dòng)教學(xué)時(shí)，教師可通過課堂手機(jī)輔助管理系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)開啟與Internet互聯(lián)網(wǎng)的連接。同時(shí)，為了防止學(xué)生瀏覽與課堂無關(guān)的Internet互聯(lián)媒體，互動(dòng)結(jié)束后可實(shí)時(shí)斷開與Internet互聯(lián)網(wǎng)的連接。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的GUI主界面

鑒于手機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)軟件的GUI界面不是很復(fù)雜，GUI界面設(shè)計(jì)采用Python語言提供的Tkinter圖形界面模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。課堂手機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的GUI主界面如圖2所示，界面主要由文本標(biāo)簽控件、按鈕控件及文本輸入控件等三類控件構(gòu)成。各標(biāo)簽控件的作用相對(duì)簡(jiǎn)單，用于顯示軟件的使用步驟說明?！奥窂竭x擇”按鈕用于選擇設(shè)置班級(jí)學(xué)生智能手機(jī)MAC地址信息統(tǒng)計(jì)表；“啟動(dòng)監(jiān)控”與“停止監(jiān)控”按鈕用于啟動(dòng)或停止系統(tǒng)掃描并統(tǒng)計(jì)學(xué)生智能手機(jī)接入無線路由網(wǎng)的次數(shù)；“查看結(jié)果”按鈕用于課堂結(jié)束后，向?qū)W生展示在線次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；“連接網(wǎng)絡(luò)”與“斷開網(wǎng)絡(luò)”按鈕用于教師實(shí)時(shí)控制無線路由網(wǎng)絡(luò)接入與斷開Internet互聯(lián)網(wǎng)。

使用Tkinter進(jìn)行GUI界面開發(fā)，主要包括窗口實(shí)例化、控件定義、控件屬性設(shè)置及控件布局等步驟。窗口的實(shí)例化通過Tk()類實(shí)現(xiàn)，如master = Tk()即可創(chuàng)建一個(gè)名為self. master的窗口容器。當(dāng)窗口創(chuàng)建好后，可在窗口中使用title0 = Label(master, text='請(qǐng)按如下說明使用本軟件', font='20', bg='white', fg='blue')格式語句添加文本標(biāo)簽控件，第一項(xiàng)參數(shù)用于指定控件的容器為master窗口容器，其他參數(shù)分別為顯示的文本內(nèi)容、字體大小、背景色、文字顏色。按鈕控件可使用link_internet = Button(master, text='停止監(jiān)控', command= open_internet)格式語句添加，第一項(xiàng)參數(shù)同樣也是指定控件的容器，text參數(shù)為按鈕顯示的文本內(nèi)容，command參數(shù)是按鈕的事件命令，open_internet為自定義的按鈕功能函數(shù)。各控件在容器如何布局，通過Tkinter提供的pack()、grid()兩種方法實(shí)現(xiàn)：pack()用于實(shí)現(xiàn)控件自上到下的布局；grid()用于實(shí)現(xiàn)在子容器中按表格布局。如：link_internet.grid(row=0, column=0)可將link_internet控件布局到當(dāng)前容器0行、0列的位置。

圖2 GUI界面圖

2.2 路由器的自動(dòng)化管理

課堂手機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)軟件獲取當(dāng)前接入無線路由器設(shè)備的Mac地址列表，或管理Internet互聯(lián)網(wǎng)的接入或斷開，都需模擬瀏覽器通過HTTP請(qǐng)求訪問路由器的各個(gè)管理頁面。requests或selenium模塊是Python實(shí)現(xiàn)HTTP請(qǐng)求常用方法[5-6]。requests對(duì)靜態(tài)交互網(wǎng)頁的請(qǐng)求與獲取實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁需進(jìn)行抓包分析后設(shè)計(jì)請(qǐng)求方式，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難。Selenium是一款用于Web自動(dòng)化測(cè)試的工具包，它提供的webdriver工具可模擬人工操控瀏覽器請(qǐng)求網(wǎng)頁，結(jié)合無界面的PhantomJS瀏覽器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化請(qǐng)求網(wǎng)頁[7]。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，鑒于通過requests請(qǐng)求無線路由器的URL地址返回為空，最終決定采用Selenium與PhantomJS模擬人工操作本地瀏覽器的方式，實(shí)現(xiàn)無線路由器的無界面控制管理。以登錄無線路由器管理后臺(tái)為例，其關(guān)鍵代碼如下所示：

from selenium import webdriver

import time

password = '填入你自己的密碼'

Routers_URL= 'http://192.168.11.1/'

My_driver = webdriver.PhantomJS(executable_path=r'F:phantomjsinphantomjs.exe')

My_driver.get(Routers_URL)#模擬請(qǐng)求路由器管理后臺(tái)登錄頁面

time.sleep(1)#等待響應(yīng)近回所需的時(shí)間

My_driver.find_element_by_id('pcPassword').send_keys(password) #模擬在密碼欄輸入登陸密碼

My_driver.find_element_by_id('logIn').click()#模擬單擊登陸按鈕事件

其中My_driver = webdriver.PhantomJS(executable_path=r'F:phantomjsinphantomjs.exe')語句用于指定無界面瀏覽器PhantomJS的驅(qū)動(dòng)程序安裝路徑；find_element_by_id('pcPassword')語句用于從網(wǎng)頁中定位光標(biāo)到指定的位置；send_keys(password)用于向指定的位置填寫相應(yīng)的內(nèi)容；click()用于模擬鼠標(biāo)單擊指定位置的操作；time.sleep(1)用于實(shí)現(xiàn)休眠等待1s，具體時(shí)長(zhǎng)需依據(jù)網(wǎng)頁返回的響應(yīng)速度決定。

2.3 MAC信息列表的提取

連入無線路由器MAC地址列表信息的提取過程，可通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：①通過2.2節(jié)中的無界面自動(dòng)化WEB操控方式，進(jìn)入到無線路由器的MAC信息列表頁面，獲得MAC信息列表頁網(wǎng)頁源碼。②從獲得的MAC信息列表網(wǎng)頁源碼中，定位、過濾、提取每個(gè)接入設(shè)備的MAC信息。MAC信息列表的定位、過濾、提取采用Python的正則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼如下：

#定位到MAC地址列表區(qū)域，提取所有接入設(shè)備MAC地址

R_Mac_List = My_driver.find_element_by_id('wanmac')

now_mac_text= R_Mac_List.text#將MAC地址列表信息轉(zhuǎn)化為文本

now_mac=re.findall(r"[0-9 a-f A-F]{2}:[0-9 a-f A-F]{2}:[0-9 a-f A-F]{2}:[0-9 a-f A-F]{2}"

r":[0-9 a-f A-F]{2}:[0-9 a-f A-F]{2}",now_mac_text) #正則表達(dá)式匹配

2.4 在線簽到次數(shù)的統(tǒng)計(jì)

去除網(wǎng)絡(luò)連接存在故障的情況，在單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)學(xué)生手機(jī)MAC地址在無線路由網(wǎng)絡(luò)的存在次數(shù)，在一定程度上能夠反映學(xué)生是否接入其他網(wǎng)絡(luò)，訪問與課堂無關(guān)的信息情況。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：以一定的時(shí)間間隔，周期性的將已知學(xué)生姓名的手機(jī)MAC數(shù)據(jù)表與當(dāng)前獲得的MAC信息列表進(jìn)行對(duì)比，若當(dāng)前獲得的MAC信息列表中存在某已知學(xué)生姓名的手機(jī)MAC地址信息，則將此學(xué)生的簽到次數(shù)加1。關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼如下，其中now_mac為當(dāng)前接入路由器的所有MAC地址；self.student_Mac為事先已知學(xué)生姓名的手機(jī)MAC地址數(shù)組；self.timeCount為簽到計(jì)數(shù)器。

def conect_count(self,now_mac):

for i in range(len(now_mac)):

for j in range(len(self.timeCount)):

if now_mac[j] == self.student_Mac[j]:

self.timeCount[j] = self.timeCount[j] + 1;

else:

continue

2.5 在線次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的展示

為了及時(shí)將簽到次數(shù)以直觀的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，對(duì)學(xué)生課堂規(guī)范使用手機(jī)起到激勵(lì)、警示作用，課堂教學(xué)結(jié)束時(shí)，需點(diǎn)擊圖2所示GUI主界面上的“查看結(jié)果”按鈕，展示本堂課學(xué)生的在線次數(shù)。與“查看結(jié)果”按鈕對(duì)應(yīng)的結(jié)果展示功能函數(shù)，采用Python語言提供的matplotlib繪圖工具包實(shí)現(xiàn)[8]，結(jié)果展示方式采用柱狀圖模式，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

def Display_result(self):

try:

plt.figure(u'統(tǒng)計(jì)結(jié)果')

matplotlib.rcParams['font.family'] = 'SimHei'

matplotlib.rcParams['font.size'] = 10

plt.xlabel(u'學(xué)生姓名')

plt.ylabel(u"在線次數(shù)")

plt.bar(range(len(self.student_name)),self.timeCount)

plt.xticks(range(len(self.student_name)),self.student_name,rotation=0)

plt.title(u"在線次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果",fontproperties = 'SimHei', fontsize = 20)

plt.show()

except:

messagebox.showinfo('提示', '運(yùn)行錯(cuò)誤！') # 顯示對(duì)話框

3 測(cè)試與分析

教師電腦采用CPU型號(hào)為Intel(R) Core(TM) i3-4160 3.6GHz，內(nèi)存為4GB，操作系統(tǒng)為Win7-64位的宏機(jī)臺(tái)式電腦，無線路由器選用迅捷FW450R，學(xué)生人數(shù)24名，在12m*7m大小的教室內(nèi)按圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建網(wǎng)絡(luò)，以45min為一課時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。24名受測(cè)試學(xué)生在線次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示，去除網(wǎng)絡(luò)連接故障因素，可知6，10，16，23，26，17號(hào)學(xué)生在課中接入班級(jí)無線互聯(lián)網(wǎng)的次數(shù)較低，一定程度上客觀反映了這些學(xué)生在課中有不規(guī)范使用手機(jī)的行為；其余學(xué)生在課中的在線次數(shù)達(dá)40次以上，去除瀏覽手機(jī)本地媒體的行為，基本上可排除接入其他網(wǎng)絡(luò)瀏覽與課堂無關(guān)資源的情況。因此，可將此項(xiàng)數(shù)據(jù)按一定的權(quán)重納入平時(shí)成績(jī)的評(píng)定體系，激勵(lì)、警示學(xué)生課中規(guī)范使用手機(jī)。同時(shí)，教師通過軟件控制班級(jí)無線局域網(wǎng)接入Internet互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在點(diǎn)擊“連接網(wǎng)絡(luò)”按鈕后，整個(gè)班級(jí)局域網(wǎng)可在3～5s的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)接入Internet互聯(lián)網(wǎng)；在點(diǎn)擊“斷開網(wǎng)絡(luò)”按鈕后，整個(gè)班級(jí)局域網(wǎng)在1～2s的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)斷開與Internet互聯(lián)網(wǎng)的連接。

圖3 學(xué)生手機(jī)在線次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果柱狀圖