基于雙重定位技術的智能考勤系統(tǒng)

梁曉琦，戴永輝，藏鴻雁

(1.上海開放大學松江分校，上海 201600; 2.上海對外經(jīng)貿(mào)大學工商管理學院，上海 201620)

0 引 言

教學質(zhì)量是開放大學的生命線，教學質(zhì)量監(jiān)控是教學管理工作的重中之重[1]，作為教學質(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，這將影響學校日常管理效率[2]。

中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心發(fā)布的統(tǒng)計報告顯示，2016-2018年網(wǎng)民中使用手機上網(wǎng)的比例分別為95.1%、97.5%和98.6%，學生網(wǎng)民占比最大，近3年占比分別為25.0%、25.4%和25.4%[3]。大學生擁有智能手機的比率高達98.25%，成人學員習慣于使用智能手機進行網(wǎng)上學習、線上閱讀和在線交流等活動[4-5]。因此，使用智能手機通過APP、小程序進行考勤等信息化管理是深受師生歡迎且技術上具有可行性的解決方案。盡快使用智能手機等設備實現(xiàn)方便快捷、科學有效的日?？记?，適應學習者習慣，滿足信息化教學管理需求，是值得開放教育管理者思考的一大課題。

基于上述思考，本文設計基于移動互聯(lián)網(wǎng)、使用室外GPS和室內(nèi)WiFi定位技術的學員智能考勤系統(tǒng)，服務于開放大學學員，亦可為全日制高校等教學機構提供參考與借鑒。

1 需求分析

1.1 概念定義

高?？记谙到y(tǒng)是提高學校教學管理科學性輔助決策的重要手段之一，能為教師和學員提供全面而準確的考勤數(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、人臉識別考勤和基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能考勤等幾種。隨著信息技術的不斷發(fā)展，通過借助校園網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)，考勤系統(tǒng)功能越來越完善，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)花名冊手工點名。紙質(zhì)考勤方式的缺點是效率低、報送人力成本高、易出錯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計不方便等；指紋考勤、人臉識別考勤、APP考勤等智能考勤方式正逐步取代紙質(zhì)考勤，成為高校考勤的主流方式。

高校和學者對使用智能化設備進行考勤進行了應用與研究。向小瓊等[6]設計了基于手機藍牙的考勤系統(tǒng)，通過對比學員手機藍牙的MAC地址與已有數(shù)據(jù)是否匹配來判斷考勤是否成功；劉炳初等[7]設計了基于STM32F103RCT6單片機智能考勤系統(tǒng)，實現(xiàn)了IC卡簽到及指紋簽到功能；蘇婕等[8]通過采用與近距離通信(NFC)技術相融合的學生卡進行考勤，平均讀卡識別率為99.89%，從而實現(xiàn)高效、準確的考勤；方冠男等[9]提出了一種基于視頻流的人臉自動識別課堂點名系統(tǒng)，并引用了人臉質(zhì)量評估環(huán)節(jié)，識別準確率達到了90%左右。

相關技術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卡一般還可用于學員卡、就餐卡、門禁卡等多種用途，一定程度上解決了多張卡管理難的問題，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單快捷的特性，學員只需輕輕一按就可完成身份識別和考勤過程，但存在部署和維護成本高的缺點；學員使用人臉識別考勤方式可方便、快捷地實現(xiàn)，但在上線前需進行費時費力的人臉采集流程，識別率無法達到百分之百，阻礙了其推廣與應用[13]。

目前，市場上絕大部分的智能手機均集成了GPS或北斗衛(wèi)星定位模塊，通過衛(wèi)星定位可實現(xiàn)學員地理位置定位；借助于校園無線網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對學員所在教室的室內(nèi)精確定位；通過APP、小程序等平臺，實現(xiàn)學員的考勤、請假、提醒等功能。為此，本文基于移動互聯(lián)網(wǎng)，設計基于GPS和WiFi定位的學員智能考勤系統(tǒng)，學員可方便、快捷地使用手機進行考勤；教師可方便、快捷地查看排課和學員出勤情況；管理員可對考勤數(shù)據(jù)進行匯總與統(tǒng)計，提升考勤管理的工作效率。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 總體架構

基于移動互聯(lián)網(wǎng)的考勤系統(tǒng)在邏輯上包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。感知層主要通過終端和傳感器采集數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡層提供網(wǎng)絡傳輸服務；平臺層包括學習平臺、教務系統(tǒng)、選課系統(tǒng)等應用，提供調(diào)用接口；應用層包括教務系統(tǒng)、選課系統(tǒng)和考勤系統(tǒng)，提供相關基礎數(shù)據(jù)和考勤應用數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

2.2 總體功能設計

圖2 功能結構圖

使用智能移動設備的地理定位功能，配合室內(nèi)WiFi進行精確定位，實現(xiàn)學員基于GPS和WiFi的簽到功能，教師可實時查詢考勤數(shù)據(jù)，管理員可對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、匯總操作的基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能考勤系統(tǒng)。系統(tǒng)支持復雜和個性化排課方式，并將考勤數(shù)據(jù)存儲在云平臺上永久保存；通過用戶報表可為教師和管理員提供實時自助查詢服務，提升了考勤管理工作效率。系統(tǒng)功能結構圖如圖2所示。

1)學員功能。

課表：查看本學期、本周、當日的課程表。

請假：上課前可請假，但每門課程請假次數(shù)不得超過3次。

簽到：學員到校后簽到，課前30 min到課后30 min為有效簽到時間，遲到30 min以上記“遲到”。

2)教師功能。

查看出勤：按班級查看學員到課情況。

手動簽到：為上課未帶手機的學員手動簽到。

請假審核：審核學員請假申請。

出勤統(tǒng)計：統(tǒng)計匯總班級、學員出勤情況。

3)系統(tǒng)管理員功能。

基礎數(shù)據(jù)：設置班級、課程、教師、輔導員和學員信息等基礎信息。

導入課表：導入班級開課大表，在開課大表中包括班級名稱、班級代碼、課程名稱、課程代碼、任課教師、輔導員、上課時間、上課地點等信息。

出勤統(tǒng)計：統(tǒng)計數(shù)據(jù)分為班級、課程、學員和時間多個維度，按時間統(tǒng)計可統(tǒng)計周、月、學期出勤率。

課時統(tǒng)計：根據(jù)上課出勤情況計算教師課時。

數(shù)據(jù)備份：對基礎數(shù)據(jù)和考勤數(shù)據(jù)進行備份，避免發(fā)生信息和數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)庫還原操作需手動進行。

4)第三方接口功能。

系統(tǒng)提供與學習平臺、教務系統(tǒng)、選課系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等校園網(wǎng)信息化平臺的接口，為考勤系統(tǒng)獲取學員、教師、課程、選課等基礎數(shù)據(jù)。

3 主要模塊實現(xiàn)

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

3.1 考勤簽到流程

1)學員和教師使用統(tǒng)一身份認證連接校園無線網(wǎng)絡。

2)打開APP或小程序進入考勤系統(tǒng)。

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

4)通過手機MAC地址、無線AP的ID號等信息與數(shù)據(jù)庫已有信息比對，進行“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GPS+WiFi雙重定位模式進行考勤。GPS是以衛(wèi)星為基礎的無線電測時定位、導航系統(tǒng)[14]，GPS定位具有在室外定位精度高、響應時間短、信息覆蓋面廣等特點[15-16]。通過學員手機獲取地理位置，判斷考勤位置是否有效。定位考勤功能實現(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); /**當前位置與學校的距離*/

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

wx.request({

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

method: "POST",

data: {

/**獲取地址、學號、課程、周次等信息*/ },

由圖4可知，2股水均試驗12個批次，試驗進水流量均從40 L/h開始逐次提量，到第7、8批次時達到設計值75 L/h，最后2個批次達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，其余批次同等進水量的情況下，采用2組不同的采出量以便對塔頂冷凝液氨水采出濃度進行對比。

success(res) {

var datas = JSON.parse(res.data)

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

{if (JudgeCourseTime())

{ /**當前時間有課，寫入考勤信息 */}

} else

{/**提示考勤位置無效 */

}

}),

智能手機的MAC地址具有唯一性[18]，通過對校園無線控制器的第三方接口，可獲取登錄用戶MAC地址、用戶名(即學號)和AP名稱等信息，根據(jù)AP名稱匹配教室進行WiFi考勤認證。圖4為WiFi客戶端列表。

圖4 連接的WiFi客戶端列表

WiFi考勤過程為：

1)用戶使用統(tǒng)一身份認證登錄考勤APP或小程序。

2)從教務系統(tǒng)第三方接口中獲取學員當前時間段課程、任課教師、上課教室等信息。

3)獲取客戶端設備MAC地址等信息。

4)通過校園無線控制器第三方接口獲取連接的AP名稱，通過數(shù)據(jù)庫比對查詢所在樓宇的教室信息。

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

3.3 課程提醒

對于學員的上課課程及時進行個性化的提醒。如圖5所示，“我的課程表”功能列出了本學期、本周和今日課表。

圖5 我的課程表

3.4 出勤統(tǒng)計

出勤統(tǒng)計可按班級、課程、學員進行，在學員操作界面顯示課程出勤明細，在教師操作界面顯示課程出勤統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括每位學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出勤統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.5 防止“代考勤”的技術手段與管理措施

為規(guī)范考勤，學校應出臺相應考勤管理制度，在制度和技術上采取多項舉措保障智能考勤的順利進行，保障數(shù)據(jù)的準確性[19-20]。如規(guī)定每門課程的學期最低出勤率，未達到者將嚴重影響課程平時成績；對未帶手機無法使用智能考勤系統(tǒng)進行簽到的學員，可由任課教師補簽。同時，在技術層面，也要預防其他同學“代考勤”現(xiàn)象的發(fā)生[21]。

1)學員均使用智能考勤APP或小程序進行考勤，盡可能減少手工簽到。

2)使用GPS進行定位，在校園內(nèi)才可簽到。

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

4)每次簽到時，比對登錄設備信息，如設備品牌型號、MAC地址等信息，當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，通過平臺及時進行提示。當出現(xiàn)同一MAC地址為多個賬號進行考勤時，則判定為異常。

以微信小程序考勤為例，通過比對微信Openid以避免“代考勤”。具體做法是：學員第一次登錄時，將讀取微信Openid，并提示是否設置為常用登錄設備，學員將該微信號設置為常用登錄設備才可進行簽到，以后也只允許使用該微信號打開小程序進行考勤。通過小程序獲取微信Openid的關鍵代碼如下：

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)測試及應用效果分析

本系統(tǒng)采用單元測試與功能性測試2種測試方法，通過單元測試對基礎功能函數(shù)和模塊進行測試以確保其正確性；通過制定測試計劃，設計測試用例進行數(shù)據(jù)庫、響應速度、接口性能、兼容性等功能性測試，確保功能符合預期要求。學員智能考勤系統(tǒng)用戶界面，如圖6所示。

圖6 學員智能考勤系統(tǒng)用戶界面

如表1所示，用iPhone和小米手機打開小程序，定位成功和簽到成功時間在0.20 s左右，用戶體驗較好。具體測試方法是：使用3款手機分別對300人每人3次進行GPS定位考勤及WiFi考勤簽到測試，定位時間即從開始定位到定位成功所需時間，簽到時間即從開始簽到至簽到成功所需時間，統(tǒng)計后的平均值如表1所示。

表1 部分設備進行考勤簽到測試數(shù)據(jù)

測試設備簽到技術定位時間/s簽到時間/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

通過在上海開放大學松江分校部分班級進行一個月的面授考勤試用，有3752人次使用智能考勤系統(tǒng)進行考勤，占實到人數(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)的智能手機用戶占總訪問人數(shù)的56.16%，使用蘋果手機用戶數(shù)占總訪問人數(shù)的43.84%。

小程序具有無需下載安裝即可使用、流暢的使用體驗等優(yōu)點，受到了學員與教師的普遍歡迎[22]。測試推廣初期，通過班級微信群分享小程序、在教室貼二維碼供學員掃描等方式為學員使用智能考勤系統(tǒng)提供入口，提高學員使用率，2周后學員主要通過微信任務欄中最近使用的小程序和從手機相冊中長按識別二維碼等方式打開。學員智能考勤系統(tǒng)小程序訪問來源如圖7所示。

圖7 學員智能考勤系統(tǒng)微信小程序訪問來源

通過對采用智能考勤的學員進行問卷調(diào)查，99.3%的學員對考勤系統(tǒng)的便攜性和數(shù)據(jù)權威性表示滿意，學員逐步依賴考勤系統(tǒng)中的課表及提醒功能，準時來上課。

5 結束語

本文將室外GPS和室內(nèi)WiFi雙重定位技術相結合，設計了基于雙重定位技術的學員智能考勤系統(tǒng)，并應用到上海開放大學松江分?？记诠芾砉ぷ髦?，實際應用結果表明，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，在考勤的適應性與智能性上有明顯改善，當前的考勤數(shù)據(jù)更加精準，系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和可視化分析功能，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管理效率和引入技術促進教學管理上起到良好的示范作用，今后將繼續(xù)將人工智能、VR等新興技術引入教學管理中。