基于MAC地址的校園簽到與定位軟件設計

宮雨欣，戶 國，蒿特祺，王 易，應 悅

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620)

0 引 言

國內(nèi)大部分高校仍然使用教師課堂點名簽到的方式統(tǒng)計學生課堂出勤信息，該模式會占用正常的教學時間，影響正常的教學進度，存在諸多缺陷。

無線通信技術包括超寬頻(Ultra Wie Band, UBW)、ZigBee技術、射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)、無線寬帶(Wi-Fi)、4G通信技術等[1]。眾多分布于不同位置的路由器所發(fā)射出的無線信號是構成無線局域網(wǎng)的首要條件，每個無線信號所在的發(fā)射裝置都有一個獨立的設備編號(MAC地址)，用戶可以使用自己的設備連接這些無線信號，從而登入互聯(lián)網(wǎng)。用戶登錄后，用戶的設備便可以通過JS獲取MAC地址，或通過后臺代碼獲取設備的MAC地址。基于此，只要讓手機根據(jù)本地IP獲取周邊路由器的MAC地址，在數(shù)據(jù)庫中搜索與該路由器相匹配的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)定位功能。

隸屬于美國的SkyhookWireless公司首次提出了Wi-Fi定位以及相關技術，通過不斷改善，Wi-Fi定位技術日趨成熟，其原理為：根據(jù)Wi-Fi熱點具有的位置不變性的性質(zhì)，不同的Wi-Fi熱點在通電的情況下，就會向周圍空間發(fā)射其所產(chǎn)生的信號，并且此信號具有全球唯一性，并將該信號命名為ID—MAC地址，通過偵控一定范圍內(nèi)的AP(即Wi-Fi熱點)的MAC地址，將該地址傳送到服務器內(nèi)，服務器可根據(jù)已經(jīng)儲存在數(shù)據(jù)庫中的MAC地址，運用相關算法，獲得客戶端具體位置。

本文基于MAC地址探測的相關原理開發(fā)校園簽到與定位系統(tǒng)，通過獲取校園內(nèi)不同地點的MAC地址，實現(xiàn)用戶在校園內(nèi)的打卡與定位的功能。該軟件的前端開發(fā)集成工具是Android Studio 3.0版本，后端數(shù)據(jù)庫是MySQL數(shù)據(jù)庫，服務器使用的是阿里云，服務器容器使用的是Tomcat。手機應用程序可以高效的實現(xiàn)校園內(nèi)的精確定位和打卡功能，具有易操作、易實現(xiàn)，實用性強的特點。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)主要由4個模塊構成：數(shù)據(jù)通信模塊、Wi-Fi探測模塊、后端校驗模塊和返回數(shù)據(jù)模塊，軟件的整體架構如圖1所示。首先使用Wi-Fi探測模塊，利用終端設備探測周圍的MAC地址；數(shù)據(jù)通信模塊會借助網(wǎng)絡將探測到的MAC地址傳輸?shù)胶笈_服務器，并通過Tomcat容器發(fā)送請求；后臺校驗模塊會將在MySQL數(shù)據(jù)庫中尋找到的相應站點的MAC地址與反饋的MAC地址相比對，校驗結果會通過系統(tǒng)的返回數(shù)據(jù)模塊，若反饋的結果與后臺數(shù)據(jù)庫中相應站點的MAC地址存在重疊，顯示打卡成功；若不存在重疊，系統(tǒng)則會顯示使用者打卡不成功。

圖1 基于MAC地址的校園簽到與定位軟件整體架構

1.2 系統(tǒng)開發(fā)平臺(含開源/第三方工具)

軟件開發(fā)可分為前端與后端兩個部分。前端的操作系統(tǒng)為Windows 10操作系統(tǒng)，編譯環(huán)境為Android Studio 3.0；搭建后端時，可兼容Windows 10系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)，利用IntelliJ ideal(2017.03.05)在麥文(Marven)平臺上進行編譯，最大程度地優(yōu)化了APP功能并提高其運行效率。本項目使用Tomcat作為儲存容器，租借阿里云服務器并使用Navicat Premium作為后端數(shù)據(jù)庫，通過xUtils網(wǎng)絡請求來完成前端與后端的數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)主要功能模塊的設計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設計

為保證軟件定位和簽到功能的正常運行，要創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存儲、統(tǒng)計學生的基本信息、校內(nèi)服務器中相應地點的MAC地址等數(shù)據(jù)。由于校園范圍過大，軟件開發(fā)初期先以特定站點為中心，反復多次探測該范圍內(nèi)的MAC地址，將所測數(shù)據(jù)傳入后臺數(shù)據(jù)庫中[2]。

Android系統(tǒng)開發(fā)中有File存儲數(shù)據(jù)、Shared Preferences存儲數(shù)據(jù)、Content Provider存儲數(shù)據(jù)和SQLite數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)4種常見的數(shù)據(jù)存儲方式。其中，SQLite是一款輕量級數(shù)據(jù)庫，占用資源低，較于其它數(shù)據(jù)庫處理速度快，具有獨立性、隔離性、安全性等多種特征，但其并不適用于大數(shù)據(jù)量的情況[3]。小型的手機應用程序，其定位和簽到功能簡單，僅局限于校園內(nèi)，數(shù)據(jù)量較小，師生訪問量不高，且要求讀取速度快，故采用SQLite作為數(shù)據(jù)庫。關鍵數(shù)據(jù)結構包括：用戶注冊登錄信息表、用戶簽到信息表、打卡地點MAC地址信息表。其中，用戶注冊登錄信息包含序號、學院、密碼、學生學號、學生姓名，見表1；用戶簽到信息包含序號、創(chuàng)建時間、設備ID、打卡位置、MAC地址、學生學號，見表2；MAC地址信息包含序號、MAC地址、地址名稱、父輩代號、子輩代號，見表3。用Java API編寫數(shù)據(jù)庫應用程序。

表1 用戶注冊登錄信息表

表2 用戶簽到信息表

表3 打卡地點MAC地址信息表

2.2 MAC地址的確認方法

校園簽到定位系統(tǒng)需要采集校園內(nèi)不同地點的MAC地址，為降低其它設備(如手機等)對采集的影響，需采用多次測量排異的方法，即在不同時段采集同一地點的數(shù)據(jù)，確認某一地點的MAC地址時，采取類似“投票表決”的機制，該機制的主要流程如圖2所示。將第一次探測得到的MAC地址匯總成列表A，往后的每一次探測，均先定義一張空列表B，并將探測得到的結果匯總到列表B中，從列表B中不重復地取出一個MAC地址，若該地址未在列表A中，則將該地址添加至列表A中；若該地址已經(jīng)在列表A中，則該地址可能性加1。如此循環(huán)，最后取可能性最大的地址名稱為該地點的MAC地址，將其導入到服務器中。

圖2 “投票表決”機制的流程圖

2.3 定位功能的實現(xiàn)

定位功能使用手機自帶的GPS模塊獲取用戶的實時位置，確定用戶所處的校區(qū)并顯示。

Android系統(tǒng)對地理位置的操作進行了封裝，其中 LocationManager 提供了獲取地理位置信息的接口，LocationProvider可以提供各種定位技術，在其中進行指定和設置，讓 LocationManager 利用當前 LocationProvider 來獲得地理位置信息，再依據(jù) Criteria 來設定精度標準。

確定用戶在校園內(nèi)的準確位置則采取投票機制，依賴于MAC地址信息模塊，取可能性最大的MAC地址名稱上傳至服務器，與數(shù)據(jù)庫中已存儲的MAC地址進行比對，從而判斷用戶的實時位置，并將結果反饋給手機應用程序。

3 手機應用程序設計

3.1 手機應用程序的結構設計

為了更好的組織手機應用程序的各個模塊，采用分層結構設計，明確每一個層次系統(tǒng)的功能和作用形成一個良好的層次系統(tǒng)，層與層之間是松耦合關系，下層模塊為上層模塊提供服務。

手機應用程序的軟件結構從上到下主要由用戶界面層、用戶功能層、中間件層和操作系統(tǒng)層這4個部分組成，如圖3所示，其中中間件層又分為核心功能層與基礎功能層。

圖3 軟件層次結構圖

在此結構中，下層為上層提供服務接口以供上層調(diào)用，但層與層之間隱瞞內(nèi)部實現(xiàn)，當某一層的實現(xiàn)產(chǎn)生變化時，只要接口不變，就不會影響其它層次的功能實現(xiàn)。層與層之間相互聯(lián)系，各層次內(nèi)的模塊又相互獨立，不同模塊間通過接口調(diào)用，盡量滿足高內(nèi)聚低耦合的原則[4]。

3.2 功能模塊介紹

在分層結構的基礎上，將上述各功能模塊獨立的安置在每一層中，如圖4所示。以Android操作系統(tǒng)為例，中間件層的基礎功能層提供網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)儲存、第三方應用等基礎服務。核心功能層提供數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)比對、MAC地址偵測、消息推送和定位服務。用戶功能層依賴核心功能層所提供的服務來實現(xiàn)用戶所需要的功能。

圖4 模塊功能

本文為手機應用程序設計了非常豐富的功能，不僅能精確完成日常定位打卡的操作，為日常教學增添了許多的便利之處。

4 結束語

本文設計了一款基于MAC地址的校園簽到與定位系統(tǒng)。采集并確認校園內(nèi)不同地點的MAC地址數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)錄入到后臺數(shù)據(jù)庫中；使用時系統(tǒng)將先采集和確認用戶所在地點的MAC地址，并將這一地址傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫進行比對，從而實現(xiàn)在校園內(nèi)的精準定位。測試表明該系統(tǒng)操作便捷，準確度高、靈活度高、可延展性強，能實現(xiàn)學生在校園內(nèi)的精準定位和打卡功能，并能幫助教師統(tǒng)計學生的出勤信息。