基于雙重定位技術(shù)的智能考勤系統(tǒng)

梁曉琦，戴永輝，藏鴻雁

(1.上海開(kāi)放大學(xué)松江分校，上海 201600; 2.上海對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商管理學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

教學(xué)質(zhì)量是開(kāi)放大學(xué)的生命線，教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控是教學(xué)管理工作的重中之重[1]，作為教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控必不可少的環(huán)節(jié)——課堂考勤管理受到教學(xué)管理者的普遍重視。然而，傳統(tǒng)的考勤方法效率較低，安全性不高，這將影響學(xué)校日常管理效率[2]。

中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，2016-2018年網(wǎng)民中使用手機(jī)上網(wǎng)的比例分別為95.1%、97.5%和98.6%，學(xué)生網(wǎng)民占比最大，近3年占比分別為25.0%、25.4%和25.4%[3]。大學(xué)生擁有智能手機(jī)的比率高達(dá)98.25%，成人學(xué)員習(xí)慣于使用智能手機(jī)進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)、線上閱讀和在線交流等活動(dòng)[4-5]。因此，使用智能手機(jī)通過(guò)APP、小程序進(jìn)行考勤等信息化管理是深受師生歡迎且技術(shù)上具有可行性的解決方案。盡快使用智能手機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)方便快捷、科學(xué)有效的日?？记冢m應(yīng)學(xué)習(xí)者習(xí)慣，滿足信息化教學(xué)管理需求，是值得開(kāi)放教育管理者思考的一大課題。

基于上述思考，本文設(shè)計(jì)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、使用室外GPS和室內(nèi)WiFi定位技術(shù)的學(xué)員智能考勤系統(tǒng)，服務(wù)于開(kāi)放大學(xué)學(xué)員，亦可為全日制高校等教學(xué)機(jī)構(gòu)提供參考與借鑒。

1 需求分析

1.1 概念定義

高?？记谙到y(tǒng)是提高學(xué)校教學(xué)管理科學(xué)性輔助決策的重要手段之一，能為教師和學(xué)員提供全面而準(zhǔn)確的考勤數(shù)據(jù)?？记诜绞桨堎|(zhì)考勤、電子考勤、非接觸式IC卡或RFID卡考勤、指紋考勤、人臉識(shí)別考勤和基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能考勤等幾種。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)借助校園網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，考勤系統(tǒng)功能越來(lái)越完善，性能也更加穩(wěn)定。

1.2 智能考勤現(xiàn)狀與需求

傳統(tǒng)的考勤方式一般是教師使用紙質(zhì)花名冊(cè)手工點(diǎn)名。紙質(zhì)考勤方式的缺點(diǎn)是效率低、報(bào)送人力成本高、易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不方便等；指紋考勤、人臉識(shí)別考勤、APP考勤等智能考勤方式正逐步取代紙質(zhì)考勤，成為高?？记诘闹髁鞣绞健?/p>

高校和學(xué)者對(duì)使用智能化設(shè)備進(jìn)行考勤進(jìn)行了應(yīng)用與研究。向小瓊等[6]設(shè)計(jì)了基于手機(jī)藍(lán)牙的考勤系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比學(xué)員手機(jī)藍(lán)牙的MAC地址與已有數(shù)據(jù)是否匹配來(lái)判斷考勤是否成功；劉炳初等[7]設(shè)計(jì)了基于STM32F103RCT6單片機(jī)智能考勤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了IC卡簽到及指紋簽到功能；蘇婕等[8]通過(guò)采用與近距離通信(NFC)技術(shù)相融合的學(xué)生卡進(jìn)行考勤，平均讀卡識(shí)別率為99.89%，從而實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的考勤；方冠男等[9]提出了一種基于視頻流的人臉自動(dòng)識(shí)別課堂點(diǎn)名系統(tǒng)，并引用了人臉質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了90%左右。

相關(guān)技術(shù)的使用提高了考勤效率，但尚存在著諸多待完善之處。接觸式IC卡或非接觸式的RFID卡、NFC卡一般還可用于學(xué)員卡、就餐卡、門(mén)禁卡等多種用途，一定程度上解決了多張卡管理難的問(wèn)題，但由于存在人卡分離的可能性，容易出現(xiàn)代打卡考勤的情況[10-12]；指紋考勤方式具有使用簡(jiǎn)單快捷的特性，學(xué)員只需輕輕一按就可完成身份識(shí)別和考勤過(guò)程，但存在部署和維護(hù)成本高的缺點(diǎn)；學(xué)員使用人臉識(shí)別考勤方式可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)，但在上線前需進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人臉采集流程，識(shí)別率無(wú)法達(dá)到百分之百，阻礙了其推廣與應(yīng)用[13]。

目前，市場(chǎng)上絕大部分的智能手機(jī)均集成了GPS或北斗衛(wèi)星定位模塊，通過(guò)衛(wèi)星定位可實(shí)現(xiàn)學(xué)員地理位置定位；借助于校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員所在教室的室內(nèi)精確定位；通過(guò)APP、小程序等平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)員的考勤、請(qǐng)假、提醒等功能。為此，本文基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)基于GPS和WiFi定位的學(xué)員智能考勤系統(tǒng)，學(xué)員可方便、快捷地使用手機(jī)進(jìn)行考勤；教師可方便、快捷地查看排課和學(xué)員出勤情況；管理員可對(duì)考勤數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與統(tǒng)計(jì)，提升考勤管理的工作效率。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的考勤系統(tǒng)在邏輯上包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。感知層主要通過(guò)終端和傳感器采集數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層提供網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)；平臺(tái)層包括學(xué)習(xí)平臺(tái)、教務(wù)系統(tǒng)、選課系統(tǒng)等應(yīng)用，提供調(diào)用接口；應(yīng)用層包括教務(wù)系統(tǒng)、選課系統(tǒng)和考勤系統(tǒng)，提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和考勤應(yīng)用數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 總體功能設(shè)計(jì)

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

使用智能移動(dòng)設(shè)備的地理定位功能，配合室內(nèi)WiFi進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)學(xué)員基于GPS和WiFi的簽到功能，教師可實(shí)時(shí)查詢考勤數(shù)據(jù)，管理員可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、匯總操作的基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能考勤系統(tǒng)。系統(tǒng)支持復(fù)雜和個(gè)性化排課方式，并將考勤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)上永久保存；通過(guò)用戶報(bào)表可為教師和管理員提供實(shí)時(shí)自助查詢服務(wù)，提升了考勤管理工作效率。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1)學(xué)員功能。

課表：查看本學(xué)期、本周、當(dāng)日的課程表。

請(qǐng)假：上課前可請(qǐng)假，但每門(mén)課程請(qǐng)假次數(shù)不得超過(guò)3次。

簽到：學(xué)員到校后簽到，課前30 min到課后30 min為有效簽到時(shí)間，遲到30 min以上記“遲到”。

2)教師功能。

查看出勤：按班級(jí)查看學(xué)員到課情況。

手動(dòng)簽到：為上課未帶手機(jī)的學(xué)員手動(dòng)簽到。

請(qǐng)假審核：審核學(xué)員請(qǐng)假申請(qǐng)。

出勤統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)匯總班級(jí)、學(xué)員出勤情況。

3)系統(tǒng)管理員功能。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：設(shè)置班級(jí)、課程、教師、輔導(dǎo)員和學(xué)員信息等基礎(chǔ)信息。

導(dǎo)入課表：導(dǎo)入班級(jí)開(kāi)課大表，在開(kāi)課大表中包括班級(jí)名稱、班級(jí)代碼、課程名稱、課程代碼、任課教師、輔導(dǎo)員、上課時(shí)間、上課地點(diǎn)等信息。

出勤統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分為班級(jí)、課程、學(xué)員和時(shí)間多個(gè)維度，按時(shí)間統(tǒng)計(jì)可統(tǒng)計(jì)周、月、學(xué)期出勤率。

課時(shí)統(tǒng)計(jì)：根據(jù)上課出勤情況計(jì)算教師課時(shí)。

數(shù)據(jù)備份：對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和考勤數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，避免發(fā)生信息和數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)庫(kù)還原操作需手動(dòng)進(jìn)行。

4)第三方接口功能。

系統(tǒng)提供與學(xué)習(xí)平臺(tái)、教務(wù)系統(tǒng)、選課系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等校園網(wǎng)信息化平臺(tái)的接口，為考勤系統(tǒng)獲取學(xué)員、教師、課程、選課等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 主要模塊實(shí)現(xiàn)

在基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的考勤系統(tǒng)中，首先要對(duì)考勤流程進(jìn)行優(yōu)化，其次是保障考勤數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最后是對(duì)考勤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

3.1 考勤簽到流程

1)學(xué)員和教師使用統(tǒng)一身份認(rèn)證連接校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

2)打開(kāi)APP或小程序進(jìn)入考勤系統(tǒng)。

3)系統(tǒng)根據(jù)已有數(shù)據(jù)，判斷學(xué)員當(dāng)前時(shí)間是否有課，若當(dāng)前時(shí)間有課則顯示課程信息；系統(tǒng)通過(guò)GPS獲取當(dāng)前位置信息，與系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，若在允許范圍內(nèi)則可點(diǎn)擊“簽到”按鈕進(jìn)行簽到；若當(dāng)前位置不在學(xué)校范圍內(nèi)則顯示“簽到位置不在允許范圍內(nèi)”，不允許簽到。

4)通過(guò)手機(jī)MAC地址、無(wú)線AP的ID號(hào)等信息與數(shù)據(jù)庫(kù)已有信息比對(duì)，進(jìn)行“WiFi簽到”。

考勤簽到流程如圖3所示。

圖3 考勤簽到流程

3.2 GPS+WiFi定位考勤

通過(guò)GPS+WiFi雙重定位模式進(jìn)行考勤。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電測(cè)時(shí)定位、導(dǎo)航系統(tǒng)[14]，GPS定位具有在室外定位精度高、響應(yīng)時(shí)間短、信息覆蓋面廣等特點(diǎn)[15-16]。通過(guò)學(xué)員手機(jī)獲取地理位置，判斷考勤位置是否有效。定位考勤功能實(shí)現(xiàn)微信小程序的WXML文件如下：

var testdistance = this.distance(this.data.latitudes, this.data.longitudes, school.data.latitudes, school.data.longitudes); /**當(dāng)前位置與學(xué)校的距離*/

console.log("距離學(xué)校：", testdistance, "千米");

wx.request({

url: https://***.sjou.cn/api/Weixin/SignIn′,

method: "POST",

data: {

/**獲取地址、學(xué)號(hào)、課程、周次等信息*/ },

由圖4可知，2股水均試驗(yàn)12個(gè)批次，試驗(yàn)進(jìn)水流量均從40 L/h開(kāi)始逐次提量，到第7、8批次時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)值75 L/h，最后2個(gè)批次達(dá)85 L/h。塔頂冷凝液即氨水采出量同步逐次提升，第1、2批次采出量均為1 L/h，其余批次同等進(jìn)水量的情況下，采用2組不同的采出量以便對(duì)塔頂冷凝液氨水采出濃度進(jìn)行對(duì)比。

success(res) {

var datas = JSON.parse(res.data)

if (isPointInPolygon()) /**判斷當(dāng)前位置是否在多邊形內(nèi)部 */

{if (JudgeCourseTime())

{ /**當(dāng)前時(shí)間有課，寫(xiě)入考勤信息 */}

} else

{/**提示考勤位置無(wú)效 */

}

}),

智能手機(jī)的MAC地址具有唯一性[18]，通過(guò)對(duì)校園無(wú)線控制器的第三方接口，可獲取登錄用戶MAC地址、用戶名(即學(xué)號(hào))和AP名稱等信息，根據(jù)AP名稱匹配教室進(jìn)行WiFi考勤認(rèn)證。圖4為WiFi客戶端列表。

圖4 連接的WiFi客戶端列表

WiFi考勤過(guò)程為：

1)用戶使用統(tǒng)一身份認(rèn)證登錄考勤APP或小程序。

2)從教務(wù)系統(tǒng)第三方接口中獲取學(xué)員當(dāng)前時(shí)間段課程、任課教師、上課教室等信息。

3)獲取客戶端設(shè)備MAC地址等信息。

4)通過(guò)校園無(wú)線控制器第三方接口獲取連接的AP名稱，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)查詢所在樓宇的教室信息。

5)比對(duì)課程名稱、任課教師、上課教室是否匹配，根據(jù)一定的容錯(cuò)規(guī)則，判斷WiFi簽到是否有效。

3.3 課程提醒

對(duì)于學(xué)員的上課課程及時(shí)進(jìn)行個(gè)性化的提醒。如圖5所示，“我的課程表”功能列出了本學(xué)期、本周和今日課表。

圖5 我的課程表

3.4 出勤統(tǒng)計(jì)

出勤統(tǒng)計(jì)可按班級(jí)、課程、學(xué)員進(jìn)行，在學(xué)員操作界面顯示課程出勤明細(xì)，在教師操作界面顯示課程出勤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括每位學(xué)員出勤率和課程總體出勤率；在管理員操作界面顯示課程和班級(jí)出勤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.5 防止“代考勤”的技術(shù)手段與管理措施

為規(guī)范考勤，學(xué)校應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)考勤管理制度，在制度和技術(shù)上采取多項(xiàng)舉措保障智能考勤的順利進(jìn)行，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[19-20]。如規(guī)定每門(mén)課程的學(xué)期最低出勤率，未達(dá)到者將嚴(yán)重影響課程平時(shí)成績(jī)；對(duì)未帶手機(jī)無(wú)法使用智能考勤系統(tǒng)進(jìn)行簽到的學(xué)員，可由任課教師補(bǔ)簽。同時(shí)，在技術(shù)層面，也要預(yù)防其他同學(xué)“代考勤”現(xiàn)象的發(fā)生[21]。

1)學(xué)員均使用智能考勤APP或小程序進(jìn)行考勤，盡可能減少手工簽到。

2)使用GPS進(jìn)行定位，在校園內(nèi)才可簽到。

3)使用WiFi簽到，根據(jù)客戶端連接的無(wú)線AP的MAC地址判斷是否與上課教室匹配。

4)每次簽到時(shí)，比對(duì)登錄設(shè)備信息，如設(shè)備品牌型號(hào)、MAC地址等信息，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)平臺(tái)及時(shí)進(jìn)行提示。當(dāng)出現(xiàn)同一MAC地址為多個(gè)賬號(hào)進(jìn)行考勤時(shí)，則判定為異常。

以微信小程序考勤為例，通過(guò)比對(duì)微信Openid以避免“代考勤”。具體做法是：學(xué)員第一次登錄時(shí)，將讀取微信Openid，并提示是否設(shè)置為常用登錄設(shè)備，學(xué)員將該微信號(hào)設(shè)置為常用登錄設(shè)備才可進(jìn)行簽到，以后也只允許使用該微信號(hào)打開(kāi)小程序進(jìn)行考勤。通過(guò)小程序獲取微信Openid的關(guān)鍵代碼如下：

WebApiHelper api = new WebApiHelper();

var url=rs1["ApiBase"].ToString() + "?appid=" + rs1["appid"].ToString() + "&secret=" + rs1["secret"].ToString() + "&js_code=" + code + "&grant_type=" + rs1["grant_type"].ToString();

var result = api.Get(url);

var r = JsonConvert.DeserializeObject(result);

return r.openid;

4 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用效果分析

本系統(tǒng)采用單元測(cè)試與功能性測(cè)試2種測(cè)試方法，通過(guò)單元測(cè)試對(duì)基礎(chǔ)功能函數(shù)和模塊進(jìn)行測(cè)試以確保其正確性；通過(guò)制定測(cè)試計(jì)劃，設(shè)計(jì)測(cè)試用例進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、響應(yīng)速度、接口性能、兼容性等功能性測(cè)試，確保功能符合預(yù)期要求。學(xué)員智能考勤系統(tǒng)用戶界面，如圖6所示。

圖6 學(xué)員智能考勤系統(tǒng)用戶界面

如表1所示，用iPhone和小米手機(jī)打開(kāi)小程序，定位成功和簽到成功時(shí)間在0.20 s左右，用戶體驗(yàn)較好。具體測(cè)試方法是：使用3款手機(jī)分別對(duì)300人每人3次進(jìn)行GPS定位考勤及WiFi考勤簽到測(cè)試，定位時(shí)間即從開(kāi)始定位到定位成功所需時(shí)間，簽到時(shí)間即從開(kāi)始簽到至簽到成功所需時(shí)間，統(tǒng)計(jì)后的平均值如表1所示。

表1 部分設(shè)備進(jìn)行考勤簽到測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試設(shè)備簽到技術(shù)定位時(shí)間/s簽到時(shí)間/siPhone 6 PlusGPS定位0.220.23GPS+WiFi定位0.160.20iPhone XGPS定位0.200.19GPS+WiFi定位0.170.15Xiaomi 8GPS定位0.220.28GPS+WiFi定位0.200.22

通過(guò)在上海開(kāi)放大學(xué)松江分校部分班級(jí)進(jìn)行一個(gè)月的面授考勤試用，有3752人次使用智能考勤系統(tǒng)進(jìn)行考勤，占實(shí)到人數(shù)的82.37%；其中使用智能考勤APP考勤651人次，使用小程序考勤3101人次；考勤用戶中使用Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)用戶占總訪問(wèn)人數(shù)的56.16%，使用蘋(píng)果手機(jī)用戶數(shù)占總訪問(wèn)人數(shù)的43.84%。

小程序具有無(wú)需下載安裝即可使用、流暢的使用體驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，受到了學(xué)員與教師的普遍歡迎[22]。測(cè)試推廣初期，通過(guò)班級(jí)微信群分享小程序、在教室貼二維碼供學(xué)員掃描等方式為學(xué)員使用智能考勤系統(tǒng)提供入口，提高學(xué)員使用率，2周后學(xué)員主要通過(guò)微信任務(wù)欄中最近使用的小程序和從手機(jī)相冊(cè)中長(zhǎng)按識(shí)別二維碼等方式打開(kāi)。學(xué)員智能考勤系統(tǒng)小程序訪問(wèn)來(lái)源如圖7所示。

圖7 學(xué)員智能考勤系統(tǒng)微信小程序訪問(wèn)來(lái)源

通過(guò)對(duì)采用智能考勤的學(xué)員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，99.3%的學(xué)員對(duì)考勤系統(tǒng)的便攜性和數(shù)據(jù)權(quán)威性表示滿意，學(xué)員逐步依賴考勤系統(tǒng)中的課表及提醒功能，準(zhǔn)時(shí)來(lái)上課。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將室外GPS和室內(nèi)WiFi雙重定位技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于雙重定位技術(shù)的學(xué)員智能考勤系統(tǒng)，并應(yīng)用到上海開(kāi)放大學(xué)松江分?？记诠芾砉ぷ髦?，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效防止了“代考勤、偽考勤”現(xiàn)象的發(fā)生。與原有考勤系統(tǒng)相比，在考勤的適應(yīng)性與智能性上有明顯改善，當(dāng)前的考勤數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化分析功能，為課堂管理提供了直觀的數(shù)據(jù)參考，在提升成人高校的教學(xué)管理效率和引入技術(shù)促進(jìn)教學(xué)管理上起到良好的示范作用，今后將繼續(xù)將人工智能、VR等新興技術(shù)引入教學(xué)管理中。