校園環(huán)境下學(xué)生的位置信息采集與行為數(shù)據(jù)分析

白靖 郭平 艾霖森

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，校園信息化建設(shè)成為各大高校研究的重點(diǎn)。最初的智能學(xué)習(xí)形式是數(shù)字校園，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將學(xué)習(xí)生活、科研成果、教學(xué)管理等相關(guān)的資源進(jìn)行整合，完善現(xiàn)有資源的合理分配和利用，提高了工作效率和質(zhì)量。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)字校園建設(shè)即將迎來尤異希的技術(shù)和思想的變革。

關(guān)鍵詞：校園環(huán)境;信息采集;行為數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的校園大數(shù)據(jù)有很多種類，也有很多的系統(tǒng)來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)在建立之初沒有考慮到后來的數(shù)據(jù)共享狀況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法整合，難以正對(duì)各種數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。大學(xué)生又是一個(gè)特殊的社會(huì)群體，他們大多數(shù)的時(shí)間都在校園中度過，而當(dāng)代大學(xué)生由于缺乏緊張意識(shí)，在校園中的學(xué)習(xí)時(shí)間，宅在寢室、網(wǎng)吧打游戲或沉迷于小說，又或者在外閑逛。而學(xué)校對(duì)于學(xué)生的管理，一般為點(diǎn)名達(dá)到的形式，時(shí)效性差，信息反饋慢。在智慧校園構(gòu)建中應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，還需要結(jié)合學(xué)校的發(fā)展需求，不斷完善與改進(jìn)。教育管理更加精細(xì)化、規(guī)范化。在這種情況下，就能夠更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)教師、人才培養(yǎng)以及科研等各個(gè)方面的管理。

現(xiàn)在許多學(xué)校還在沿用傳統(tǒng)的學(xué)生管理和服務(wù)方式，對(duì)學(xué)生采用單一化的管理方式，缺乏針對(duì)學(xué)生行為特征的個(gè)性化管理和服務(wù)。本設(shè)計(jì)意在建立一套有效的數(shù)據(jù)跟蹤體系，以便及時(shí)跟蹤和評(píng)估數(shù)據(jù)的變動(dòng)。達(dá)到對(duì)學(xué)生的準(zhǔn)確定位，對(duì)學(xué)生在校期間的活動(dòng)軌跡做出分析，制定相應(yīng)管理規(guī)定，統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)資源的管理和維護(hù)，改正學(xué)生的不規(guī)范生活作息，讓學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

一、系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是研究校園環(huán)境下學(xué)生的地理位置信息獲取以及行為數(shù)據(jù)分析，通過單片機(jī)以及GPS芯片進(jìn)行學(xué)生的地理信息位置獲取以及發(fā)送，后臺(tái)通過獲取的位置信息進(jìn)行相關(guān)學(xué)生的行為數(shù)據(jù)分析。本設(shè)計(jì)擬采用的技術(shù)路線如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用stm32f103芯片作為本設(shè)計(jì)主控芯片，該芯片擁有引腳多、用途廣、功耗低、可編程能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在控制領(lǐng)域有著廣泛用途，完全適用于該設(shè)計(jì)硬件芯片的要求，在數(shù)據(jù)采集方面，本設(shè)計(jì)使用北斗GPS模塊對(duì)學(xué)生位置進(jìn)行定位，該北斗GPS模塊使用NMEA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以對(duì)學(xué)生當(dāng)前位置、海拔、運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行采集，從而分析學(xué)生當(dāng)前的活動(dòng)狀態(tài)，在數(shù)據(jù)傳輸方面，本設(shè)計(jì)采用GPRS模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)向APP端傳輸，GPRS模塊擁有抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、防盜能力好等特點(diǎn)，對(duì)于保護(hù)學(xué)生個(gè)人隱私起到非常重要的作用，硬件總體流程如圖：

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件具體設(shè)計(jì)思路如下圖3、圖4所示：

（一）APP的軟件設(shè)計(jì)

軟件使用java編寫運(yùn)行于Android上，在首頁嵌入一個(gè)h5頁面。該頁面為西昌學(xué)院平面簡(jiǎn)圖，使用JavaScript腳本編寫一套平面簡(jiǎn)圖快速生成系統(tǒng)，通過導(dǎo)入相應(yīng)區(qū)域范圍、建筑平面關(guān)鍵點(diǎn)，快速生成平面簡(jiǎn)圖。在該平面簡(jiǎn)圖中能展示使用者現(xiàn)在位置，也能搜索查尋各地位置。在首頁中還有一消息提醒框，展示使用者接下來應(yīng)該遵循的行為，以作提示。學(xué)情展示頁面通過各種統(tǒng)計(jì)圖直觀反映使用者學(xué)習(xí)情況，并對(duì)使用者一段時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)情況給予總結(jié)。

（二）后端的軟件設(shè)計(jì)

后端使用Python語言作為服務(wù)器腳本語言，采用flask框架。以u(píng)wsgi作為服務(wù)器，nginx作為反向代理服務(wù)器，運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)上。通過算法實(shí)現(xiàn)GPS精確定位，構(gòu)建行為分析模型;使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1精確定位模塊實(shí)現(xiàn)

（1）首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。由于建筑物遮擋和信號(hào)波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一系列對(duì)行為分析產(chǎn)生干擾的數(shù)據(jù)，所以需要在進(jìn)行行為分析前進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。

①軌跡點(diǎn)的基本屬性為：“時(shí)間”、“經(jīng)度"、“緯度”“速度”特征，若軌

跡點(diǎn)中缺少任意-一個(gè)特征，都不具有任何參考價(jià)值，也不能反映出行者的出行信息，因此清洗掉屬性缺失的軌跡點(diǎn)。

②對(duì)經(jīng)緯度越界和重復(fù)冗余數(shù)據(jù)這兩種異常數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

③對(duì)不符合行程數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

（2）其次對(duì)特征變量進(jìn)行計(jì)算。

①距離

公式如下：

d = Rx haver sin-'（h） = 2Rx arcsin（Vh）

haversin（0） = sin2（012）=（1-cos0）/2

h = haver sin（P;+1 -p}） + cos P+1 cosO， X haversin（△h/2）

式中， R表示地球半徑，取值為6371km;d表示兩點(diǎn)之間的距離; φ， 表示第i+1點(diǎn)的緯度，單位為弧度; φ表示第i點(diǎn)的緯度，單位為弧度;△h：第i點(diǎn)和i+1點(diǎn)的經(jīng)度差，單位為弧度。

②速度

公式如下

v =d/（t-t1）

式中，v為第i點(diǎn)速度; d表示第i點(diǎn)與第i-1點(diǎn)的距離; t表示第i點(diǎn)的

時(shí)間; t1表示第i-1點(diǎn)的時(shí)間。

2 行為分析模塊實(shí)現(xiàn)

（1）學(xué)生行為假設(shè)

①對(duì)校內(nèi)區(qū)域進(jìn)行劃分。按照不同功能劃分為學(xué)習(xí)區(qū)、住宿區(qū)、食堂區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)、商業(yè)區(qū)。

②通過不同時(shí)間段在不同區(qū)域滯留時(shí)間，假定學(xué)生在該時(shí)間內(nèi)行為。如，夜晚在住宿區(qū)假定為休息。

③根據(jù)課表信息，假定學(xué)生行程。

（2）對(duì)假定行為進(jìn)行判斷。

（3）數(shù)據(jù)可視化。

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