校園智能考勤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引 言

如今，在高校里，課堂考勤已經(jīng)成了學(xué)生管理層面不可缺少的一環(huán)，直接決定了學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的好壞 [1]。經(jīng)過抽樣調(diào)查統(tǒng)計，如今六成以上大學(xué)的課堂考勤方式依然為簡單的人工考勤，耗時長、準(zhǔn)確性低、統(tǒng)計信息分散易丟失，且存在代到情況。其他的一些電子考勤系統(tǒng)，例如教師考勤機(jī)以及指紋考勤系統(tǒng)等也都存在耗時長以及部署難、成本高等缺點。此種情況下，設(shè)計實現(xiàn)一個兼具快速性、準(zhǔn)確性，利用已有硬件設(shè)施的低成本考勤系統(tǒng)很有必要。

1 課堂考勤系統(tǒng)的性能指標(biāo)

衡量一個課堂考勤系統(tǒng)的優(yōu)劣有三個關(guān)鍵維度 [2] ：準(zhǔn)確性、快速性、部署難易程度。準(zhǔn)確性是最關(guān)鍵、最基本的一個維度，它可分為三要素，即時間、地點、人物。只有保證這三者與課程表完全對應(yīng)才能保證考勤系統(tǒng)是有價值的并且可以投入使用 ；快速性決定了完成課堂考勤工作的時間，快速性好的考勤系統(tǒng)可以省下更多的課堂時間用于授課。

2 現(xiàn)有考勤系統(tǒng)

(1) 人工考勤。此種考勤方式為上課的前幾分鐘教師或班長根據(jù)名單進(jìn)行點名。缺點為耗費時間（平均 50個人的班級需要 2 min 結(jié)束考勤），并且準(zhǔn)確性低，存在人為代到的情況，考勤信息分散不利于統(tǒng)計且不利于保存 ；優(yōu)點為流程簡單，成本低。

(2) 教師機(jī)考勤。此種方式邏輯簡單，學(xué)生依次去老師的設(shè)備上通過人臉識別等方式進(jìn)行考勤，屬于串行考勤方式。優(yōu)點為準(zhǔn)確性好，不需要部署硬件且成本低。缺點為甚至比人工考勤還要耗時并且一定程度上容易引起課堂秩序的混亂。各個教師統(tǒng)計出來的信息是獨立的，不利于發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值。

(3) 指紋識別考勤系統(tǒng) [3-6]。此種方式使用較廣泛，但對考勤人員皮膚質(zhì)量要求較高，皮膚出現(xiàn)蛻皮等情況將無法進(jìn)行指紋識別，所以該方式準(zhǔn)確性一般。指紋識別考勤機(jī)為串行考勤，考勤人員需排隊，所以浪費時間，快速性差，且考勤需要額外部署考勤機(jī)等硬件，部署成本高。

(4) 人臉識別考勤系統(tǒng) [6-7]。人臉識別考勤方式通過精確度較高的人臉識別技術(shù)，有效地解決了常規(guī)考勤方式人為代替考勤的問題，準(zhǔn)確性高 ；但同指紋識別考勤系統(tǒng)一樣， 存在快速性差及部署困難的缺點。

(5) 基于 WiFi 定位 + 人臉識別考勤系統(tǒng)。本文提出的此種考勤方式，通過學(xué)生手持設(shè)備的 WiFi定位結(jié)合人臉識別確定學(xué)生身份的唯一性，故保證了準(zhǔn)確性高?？记诜绞綖椴⑿锌记?，所有人同時進(jìn)行考勤工作，且服務(wù)器架構(gòu)支持高并發(fā)，故快速性好。本文以西北大學(xué)為例，此系統(tǒng)建立在現(xiàn)有的校園 WiFi基站架構(gòu)之上，通過算法使原本為通信設(shè)計的 WiFi熱點也可用來進(jìn)行精確定位，不需要額外硬件部署， 所以成本低，推廣使用簡單。

基于三種性能指標(biāo)的幾種考勤系統(tǒng)性能比較見表1 所列。

3 基于 WiFi 定位與人臉識別的考勤系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

基于 WiFi 定位與人臉識別的考勤系統(tǒng)由考勤終端（智能手機(jī)）、人臉識別服務(wù)器、圖片服務(wù)器、分流服務(wù)器、中間服務(wù)器、考勤服務(wù)器以及 WiFi 基站組成。人臉識別服務(wù)器進(jìn)行實時學(xué)生人臉判別，圖片服務(wù)器存放學(xué)生的人臉信息數(shù)據(jù)庫，分流服務(wù)器和中間服務(wù)器起到高并發(fā)負(fù)載均衡作用。考勤服務(wù)器完成考勤工作并部署 MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲學(xué)生考勤歷史信息?？记诮K端提供教師及學(xué)生登錄，與服務(wù)間采用C/S 架構(gòu)，學(xué)生登錄可完成日?？记诩安樵儽救藲v史考勤信息，教師登錄可以根據(jù)需求查詢、修改、統(tǒng)計所轄班級所有學(xué)生的歷史考勤信息。

3.2 系統(tǒng)功能

教師端 ：下達(dá)單次考勤命令 ；查詢所轄班級歷史考勤信息。

學(xué)生端 ：完成日?？记?；查看本人歷史考勤信息。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 考勤流程及實現(xiàn)

一節(jié)課開始教師登錄點擊一鍵考勤，學(xué)生拿出手機(jī)，登錄后點擊簽到，智能終端將打開前置攝像頭拍攝學(xué)生實時人臉圖片后發(fā)送到人臉識別服務(wù)器。人臉識別服務(wù)器根據(jù)學(xué)生登錄信息以及實時拍攝的人臉圖片向圖片服務(wù)器請求學(xué)生人臉圖片，并計算實時照片與存檔圖片的匹配度。若匹配度不符合要求，則簽到失敗并提示重新簽到，若符合要求，終端將調(diào)用定位模塊進(jìn)行位置匹配。如位置符合要求則在考勤服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中添加此學(xué)生考勤成功信息，并同時將成功信息返回給終端，在終端顯示考勤成功 ；否則返回失敗信息顯示簽到失敗。如果有學(xué)生遲到后考勤成功，數(shù)據(jù)庫將記錄學(xué)生遲到信息。具體邏輯流程如圖 1 所示。

4.2 信息查詢流程及實現(xiàn)

系統(tǒng)有獨立的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，面向教師及學(xué)生，教師登錄系統(tǒng)可查看所轄某班級的整體考勤歷史信息、所轄某班級某個人的考勤歷史信息，并且可以下載匯總 Excel 表格以便對平時成績進(jìn)行統(tǒng)計。學(xué)生登錄系統(tǒng)可查看并核對自己本學(xué)期的歷史考勤信息。

5 核心技術(shù)模塊實現(xiàn)

5.1 人臉識別

調(diào)用百度人臉識別接口，此接口通過提取人臉的特征， 計算兩張人臉的相似度，從而判斷是否為同一個人，并給出相似度評分。在已知用戶 ID 的情況下幫助確認(rèn)是否為用戶本人的對比操作，即 1∶1 身份驗證。接口同時采取了活體檢測技術(shù)，保證上傳“照片的照片”會被檢測到從而導(dǎo)致簽到失敗。

5.2 精確定位

本文提出的精確定位技術(shù)利用教室位置指紋信息 [8] 進(jìn)行定位。以西北大學(xué)為例，因為每個教室已經(jīng)部署了相同品牌的無線接入點（Access Point，AP）以達(dá)到 WiFi 覆蓋及終端無縫漫游的效果，所以教學(xué)樓的每個教室都有唯一的位置指紋信息。無線 AP 周期性地發(fā)送一個 beacon 幀以告知周圍無線設(shè)備自己的存在（通常每隔 100 ms 發(fā)送一次）。beacon 幀中包含無線 AP 的 MAC 地址，此 MAC 地址作為無線 AP 的身份標(biāo)識，與幀中的 RSS（信號強(qiáng)度）一起組成“位置指紋信息”。本考勤系統(tǒng)設(shè)計的位置指紋信息結(jié)構(gòu)如下 ：

R（P）={MAC1 ：RSS1}

式中：P 代表具體位置；大括號內(nèi)為此位置的位置指紋信息； MAC1 代表此位置所能檢測到的 RSS（信號強(qiáng)度）最強(qiáng)的無線 AP 的 MAC 地址；RSS1 代表此位置檢測到的 RSS 最強(qiáng)的無線 AP 的 RSS 值。

本文提出的考勤系統(tǒng)中的精確定位不同于以往的 WiFi 精準(zhǔn)定位，課堂考勤系統(tǒng)中的終端定位精度需求是定位到教室而非定位到室內(nèi)特定位置。一般的 WiFi 精準(zhǔn)定位技術(shù) [9-10] 是獲取實時位置指紋后，通過匹配數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲好的最近鄰位置指紋信息以獲取當(dāng)前位置 ；而本文的課堂考勤系統(tǒng)在獲取終端實時位置指紋后，判別該終端是否在正確的位置上。具體方法如下。

(1) 離線階段。在每個教室中心位置多次采集位置指紋信息后取平均值，作為此教室的位置指紋，并存入數(shù)據(jù)庫。

(2) 定位階段。根據(jù)學(xué)生移動終端上傳的實時采集到的位置指紋信息的值以及學(xué)生的登錄信息，在數(shù)據(jù)庫中查詢到學(xué)生上課的教室以及該教室對應(yīng)的預(yù)先存入的位置指紋信息的值，并計算其與移動端實時上傳位置指紋信息差值的絕對值，若在一閾值范圍內(nèi)，則判定考勤位置符合要求。

6 結(jié) 語

本文所提系統(tǒng)開發(fā)完成后，在西北大學(xué)多個教室測試了考勤系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度。實驗結(jié)果表明，軟件滿足了考勤系統(tǒng)的基本需要。

相比傳統(tǒng)考勤方式，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

（1）準(zhǔn)確性高。系統(tǒng)采取一個 55 人班級做實驗，并事先安排 5 人用人臉照片進(jìn)行人臉識別，另外 5 人在隔壁教室等非規(guī)定教室位置進(jìn)行考勤。實驗結(jié)果為預(yù)先安排的 10 人均未通過考勤，且其他人員全部通過考勤，結(jié)果表明系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很高。

（2）快速性好。實驗結(jié)果表明平均 55 人的班級采用此系統(tǒng)考勤從考勤開始到考勤結(jié)束所需時間為 15 ～ 20 s，所以系統(tǒng)快速性良好。

（3）不需要額外部署硬件。實驗環(huán)境的每個教室天花板的中心位置都已經(jīng)安裝了無線 AP，此配置符合教室定位的要求，所以不需要部署硬件。