刘逸琛 谢文勇 柳彩志
摘要：随着数据时代的来临，物联网、大数据等概念已经深入人们生活的方方面面，大数据应用逐渐成为未来教育管理的基础之一，教育信息化、智慧校园也日益成为了教育界关注的热点话题。基于此背景，该研究以天津师范大学一卡通作为技术载体，扩展应用了的物联网设备和技术，基于智慧校园的理念设计并构建了智慧一卡通学生管理系统。本研究的内容包括了硬件设备的集成和软件平台的开发，也涉及了大数据分析算法的选择与应用，期望研究得到的一下经验与结论能为学校智慧校园建设提供一些借鉴。
关键词：智慧校园；一卡通；数据分析；教学管理；RFID
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）17-0098-05
1概述
在科技高速发展的今天，计算机与网络已经成为了人们生活中的一部分。无论快递之于购物还是约车之于出行的便捷服务都已经深入人心，而这些都需要物联网和互联网作为中枢进行调控。而智慧校园则是将学校内的人员、设备、建筑通过物联网进行跨越时间空间的联结，产生大量原始数据信息，并据此对教师、学生和教务人员进行数字化管理，为学校相关部门对教务的管理提供了更为便捷的服务。
校园一卡通目前已经发展了到了第四代，但是国内高校的校园一卡通还普遍停留在第二代，也就是说虽然校园一卡通正在逐渐成为智慧校园的重要组成部分，但是由于技术和资金的原因，校园一卡通的主要功能范围仍然停留在食堂、超市购物，图书馆借阅等基本功能，使用一卡通进行教务管理方面仍然非常薄弱。而基于物联网的RFID技术等为校园一卡通功能的拓展提供了技术支持，将其应用于现有的一卡通可以实现无接触式数据采集，在形式上革新了旧的需要贴卡才能采集到数据的方式，在意义上可以更加精准和快速的采集到更有使用价值的数据。
本项研究是基于天津师范大学现在使用的一卡通系统，该一卡通系统已经使用多年，处于第二代一卡通与第三代一卡通过渡期，体系完整成熟，如果直接引入新的第四代一卡通会给学校在资金、数据上带来很大麻烦，一卡通中心、财务系统也需要根据新的一卡通系统重新调整，推行起来也需要很长时间去适应，而据笔者了解，国内大部分学校也是因为同样的原因导致校园信息化的发展受到很大阻碍。所以本项研究是立足第三代一卡通的基础上扩展第四代一卡通部分功能，给以后相关研究提供研究方向和研究基础。
通过本研究，一方面可以以一卡通为基点推动天津师范大学的校园信息化发展；另一方面一卡通使用情况同天津师范大学相似的高校都可以根据本文探索的方式进行扩展，将物联网与校园一卡通的应用相结合，开发更多新功能，使无接触式校园一卡通得以推广。
本研究主要内容包括如下三个方面：
1）使用RFID标签模拟一卡通集成功能，在物理上实现无接触式一卡通数据采集。
2）对智慧一卡通学生管理系统进行设计和开发，将收集到的原始数据转变为可以使用的数据。
3）探索整个系统在本校和各大高校中进行推广的可能性。
2相关概念及物联网设备使用情况
2.1相关概念
能够承载智慧校园发展的是近些年来趋向成熟的一系列技术，包括大数据、互联应用、物联网社数据挖掘等，这些技术在其他领域有了好的发展之后开始在教育领域的不断深化和推广，为各大高校的信息化改革奠定了坚实的基础。
1）大数据
教育中的大数据应该通过多维度去采集和挖掘有价值的数据，通过可视化方式呈现出来。一方面可以让教师对学习者学习行为有更多了解，另一方面可以全面的记录、跟踪学习者的特性等基础信息，为教育个性化提供数据支持。
大数据作为未来教育的技术基础之一，通过获取学习者的数据，可以实现学生综合素质评价管理、学生渐进式选科咨询以及职业生涯规划等功能。
2）物联网
物联网在教育中的基础应用是利用设备使用中的技术优势来优化学校教务部门的日常管理，通过过提高管理效率来增加广大师生的有效学习时间，而促进教学效果的提升。
3）数据挖掘技术
使用高运算量的中央处理机群汇总信息源的信息，编写数据挖掘相关算法对汇总数据进行分教育数据挖掘是综合运用数学统计、机器学习和数据挖掘的技术和方法，教育大数据进行处理和分析，过数据建模，现学习者学习结果与学习内容、学习资源和教学行为等变量的相关关系，预测学习者未来的学习趋势。
2.2物联网设备使用情况
本研究通过自采购置了RFID双通道读写器一台，扫描距离7米天线两台作为一个基本数据采集终端。将读写器和天线组装好之后连接一台安装有厂家提供的数据接口主机即可接收到扫描范围内扫描到的RFID标签数据。不同教室可以根据实际情况选择不同的读写器型号和扫描距离不同的天线，只要可以实现软硬件数据对接的物联网设备均可。
根据对功能的设计，如果想要实现整个学校的学生定位在设备上需要大量的有源RFID读写器和全校覆盖的移动网络，在管理上需要学习者的同意才能够采集位置数据，这在资金和伦理上基本都是无法实现的。考虑到学校现状，在功能设计中仅将教室作为每个物联网数据采集终端的安放位置，可以节省大量不必要的经费支出，同时也能确保只是在教室上课的时候才会采集学生们的位置数据。每一个数据采集终端最终会将经过预处理的数据汇总至核心数据库。
3智慧一卡通学生管理系统设计
3.1系统分析
1）需求分析
目前的高校中，对考勤的人为管理仍然占大多数，耗时久、效率低、公平性差，所谓考勤管理基本形同虚设。而智慧一卡通学生管理系统可以针对物联网设备获取的数据进行高效的处理和系统的展示，从源头上解决了在传统考勤中的一系列问题，可以极大地提高教务人员和教师的工作效率，并在奖学金评定和评优中提供公平合理的评价标准。
2）可行性分析
本系统获得的基本数据会一直存储在服务器中，教师也有权限对一些错误进行修改，得到数据客观公正，可以为学校有关职能部门节省大量的人力物力，系统所带来收益远大于投入经费，所以在经济上是可行的；系统使用SQLserver数据库，方便同学校数据库进行对接，开发选择XAMPP的PHP语言环境，可以在Windows系统和Linux系统上运行，开发工具选择小巧的notepad++完成，系统实现在技术上是可行的；根据国家信息化发展要求，高校需要加快对校园信息化的建设速度，而本系统的制作也是为了方便学校的管理且不涉及到太多学生的隐私数据，不存在伦理性问题，所以社会可行性也较高。
3.2系统功能设计
1）智慧一卡通系统用户角色设计
本系统分为8级管理员，各类角色之间的关系如图1所示。
学习部管理员：主要权限是在每年评奖学金是提供查询本院同学考勤的接口用于判断评奖学金时是否可以拿到全勤的20分，并且给每一个班下发全勤人员名单。
学风督查小组：主要权限是在每年评奖学金是提供查询本院同学考勤的接口用于监督评奖学金的考勤评分是否按照系统提供的数据进行。
学委：主要权限为查看班级近四周，本月的考勤情况，用于每周根据上课实际情况对系统中的数据进行核对，若不对则向院级管理员或者班主任提交申请，并且每周将记录交由班主任进行审阅，在每年评奖学金期间查询记录对旷课和迟到早退的同学按照要求扣分。
班主任：主要权限为可以修改本班同学的考勤情况，可以更换学委，用于每周核对学委上交的记录，并对与事实不符的情况进行修改，根据记录对缺勤次数多的同学开展谈心活动。
任课老师：主要权限为可以修改修本门课程同学在本门课的考勤情况，用于临时请假。如果临时调整教室上课，可以在开课之前向院级管理员提出申请或课程结束补交申请。
课程管理员：主要权限为修改公选课的授课教室，用于负责所属公选课的调课和教室调整情况。
院级管理员：主要权限是可以修改本院同学的考勤情况，可以设置学习部管理员和学风督查小组查看考勤的时限和成员，可以临时修改某节课某门课的授课教室，用于受理老师更改课程的申请以及。
校级管理员：主要权限是可以通过评议任命新的院级管理员，以及根据人事变动变更任课老师和班主任。
2）智慧一卡通系统用户业务关系与流程设计
与本系统有关的业务主要包括4个方面：①教室变更；②学生请假；③查看记录；④信息预置。本系统中各类角色的业务关系如表1所示。
本系统业务总体流程如图2所示。
由于本系统另有一套硬件自动运行的考勤机制，所以在此只将智能一卡通系统视做读取考勤信息的系统。
①“教室变更功能”是通过院级管理员或者课程管理员实现的，他们两者负责核对教室是否真实变动，对课时教室表进行更新。
②“学生请假功能”是由任课老师或者班主任完成，他们两者负责核对学生提交的申请是否有效，根据事实情况对违纪表进行更新。
③“查看记录功能”是每一级管理员都具有的功能，按照身份不同具备不同的查询方式、查询条件以及查询权限，分为文字和图像两种展示方式。
④“信息预置功能”是指两个方面：校级管理员在学期初对整个学期的时间和新学生信息进行预置、课程管理员在学期末预置下学期的课程和教室信息。
本系统详细业务流程如图3所示。
以下是第一层数据流程分析：
智慧一卡通学生管理系统的外部实体主要是系统管理员、任课教师和学生。任课教师和系统管理员通过登录系统来按照不同条件查询学生的出勤情况；学生可以查看自己的出勤情况以及向老师或者管理员提交请假申请。同时高级系统管理员可以通过系统对低级系统管理员进行任免。详情见图4所示。
3）智慧一卡通系统功能结构设计
第一层主要功能有考勤查看、学生请假、管理员变更和数据预置四个大功能，考勤查看是针对所有身份用户开放不同的查询权限，方便各级管理员对学生的出勤状况进行监督和管理；学生请假功能在学生端体现的主要是学委和学生管理员可以给考勤违纪的同学提交请假申请，而管理员或者老师即可在自己的账号中对申请给予批准或拒绝的回复，学生的考勤状态也会随之改变；管理员变更是针对高级管理员对低等级管理员进行管理和添加的模块；数据预置是在学期开始前对课程、人员信息、时间等进行前期数据预置的模块，第一层次设计如图5所示。
第二层次以考勤查看功能为例，考勤查看功能中分为不同的查询模式，不同身份、等级权限不同。学生管理员可以查看的仅仅是本班的各项数据，条件只有按每个人的姓名查询；教师可以针对自己开设的课程和上课班级查看学生考勤信息；高等级管理员可以通过学院和班级以及违纪情况对考勤记录进行查询，如图6所示。
存在第二层次的主要功能还有请假功能，主要是分为了向教师请假和向学院管理员请假的两个方面，教师和管理员能够看到的审核界面因为查询规则的不同也有很大的差异。
4智慧一卡通学生管理系统技术实现
4.1系统技术架构及开发工具
本系统使用B/S结构。
程序服务器端程序使用php语言编写，图表显示使用Highchart技术，服务器端数据库使用sqlserver2005。移动端程序使用AngularJS的Jonic移动端框架和ajax技术。数据采集端使用射频识别技术。在本系统开发中使用RFID标签和读写器代替集成在校园卡内的射频识别模块。
程序代码编写使用的是Windows操作系统下的一套文本编辑器Notepad++，数据库建设管理使用的是企业级的数据管理软件SQL Server 2005，PC端调试和发布使用的是一个开放源代码的网页服务器Apache。
4.2系统开发中的重点与难点
1）系统开发的重点
本系统开发重点体现在三个方面：
①网站并发访问性能。本课题准备实现的是一个面向整个学校的智能考勤系统，因此，系统应当能够做到在处理大量数据采集终端并发访问时，网站的各个功能模块能够正常稳定地运行，而不出现任何功能上的故障。
②数据处理性能。对考勤记录的查看是本系统所有重点功能中的核心功能，只有效率高的系统才会有老师和学生愿意使用，也就毫无疑问要求系统对数据处理的优化程度有很高的要求。
③网站安全性能。作为一个在高校内使用的系统，因为数据库中含有大量私人信息，一旦数据泄露将会造成灾难性的后果，所以在开发时一定要保证网站的系统具备足够的安全性，不会让别有用心的人轻易获取到数据。
2）开发中的难点
本系统在开发过程中遇到了许多问题，主要有以下几点，以供读到本文的研究者进行借鉴：
①PHP技术同SQL SERVER 2005实现数据对接中出现的问题。笔者以前在开发其他系统时，所有涉及SQL SERVER2005数据库的程序均使用PHPS.3以下自带的mssql函数库，但是由于本次开发过程使用当时最新版本的PHPS.6，所以需要在PHPinfo中添加新的sqlsvr pdo的支持。
②图表制作中遇到的问题。需要在页面上展现图表的数据信息，希望达到的目标是在三级级联全部选择结束之后，图表可以根据用户的选项自动生成。开发中选用的是highchart插件，使用ajax技术实现三级联动，但是插件本身使用jquery编写，所以无法使用jquery实现在单页上的生成，在发现自动生成无法解决之后我被迫还是传值给页面，重新加载全部页面调用的文件，虽然牺牲了一点用户体验，但是实现了预计效果。
③运行速度优化的问题。因为系统是面向全校的，所以数据库是由22张数据表构建而成，调用到的数据也是林林总总，在最初开发完成之后，一个班级的考勤数据查询时间达到了10秒之多，会给使用者带来极其不好的使用体验，于是在系统优化时，团队几位成员对所有sql语句进行重写，改为通过为存储过程的方式获取数据，重写之后查询速度已经控制在1秒左右。
④开发移动端程序时遇到的难题。开发时考虑到制作移动端APP，能够更方便学校教务人员和各级管理员的查看。由于团队中并没有能够开发原生iOS和安卓APP的相关人才，所以如果现学技术成本会非常高，所以团队使用了iquerymobile技术去实现，后期因为效果不理想所以改为使用ionic进行开发，在完成大部分功能后由于安全性等多方面原因放弃了移动端的开发，转而在电脑端使用bootstrap布局，在手机浏览器上也可以很好的使用本系统。
⑤RFID设备购买问题。准备阶段没有发现本地有符合标准的机器，于是在互联网上联系了一家RFID设备厂商购买设备，由于只购置了一台设备做测试用，后期的对接中出现了很多麻烦，包括价格和技术上的一些问题。所以其他研究人员开展相关的研究可以找物联网专业的专业人员先行咨询。
4.3系统实现效果
本系统实现的部分功能效果如图6、图7所示，图6呈现了数据统计分析的效果，图7呈现的是移动端部分功能界面。
5智慧一卡通学生管理系统算法扩展
5.1算法扩展的意义
现代高校中，由于图书馆进出借阅、食堂吃饭、浴室洗澡、超市购物等等方面都要用到一卡通，一卡通已经深入到了学生们生活学习的方方面面。通过物联网设备可以对学习者的违纪次数、时间长短等反映学习者学习行为特征的数据进行有效记录，如果利用数据挖掘和统计分析技术就这些数据加以分析，就可以找出考勤数据中隐藏的学生在学习行为方面的特点，可以将反馈出的数据呈献给教师和学校教务人员作为成绩评判、学业预警、学生管理的重要依据。
5.2算法实现的具体实现
本系统的所有前期工作都仅仅是将原始数据进行整合和呈现，并没有涉及相关的数据分析，所以在设计主要功能完成并进行优化之后，开发团队利用数据挖掘和关联性算法针对原始数据开发了数据分析功能模块。
（1）智慧一卡通学生管理系统的数据预处理
本系统由于是面向整个学校的系统，采集次数多，得到数据庞杂，每天产生数据量在百万以上，在总数据库中会有大量的缺失和数据噪声问题。所以在进行学习者信息分析之前对数据进行清洗非常有必要的。LOF算法（Local Outlier Factor，局部离群因子检测方法），是基于密度的离群点检测方法中一个具有代表性的算法。本项研究使用到了LOF算法对一个学生一节课程的数据进行分簇，找到离群点后将其从所有数据中删除，达到清洗目的。由于网络上并没有使用PHP语言实现的很完整的LOF算法，所以开发团队在对该算法原理深入学习之后进行了PHP实现。
（2）违纪关联规则的研究及算法实现
数据关联规则是将数据集中不同的门类和属性进行分析和归纳，寻找其中的相似之处和关联性，得到一些有价值的结论。在关联规则中两个度量是支持度和置信度。它们分别反映所发现规则的有用性和确定性。例如：一个班级内迟到的同学同时也早退的关联规则研究，它的支持度为4%，置信度为60%。这意味着所分析的所有数据的4%显示早退和迟到同时发生在一个同学身上，置信度为60%说明迟到的同学里面有60%也早退。只要这个关联规则是满足最小支持度阈值和最小置信度阈值，那幺这个关联规则是值得参考的。找出学生考勤数据中的关联规则，有利于老师优化教学方案，方便学校提出具有针对性的措施。
数据的关联性分析是数据挖掘过程中的一个较为重要的过程，关联分析指的是找出隐藏在数据集中发现项之间的关系，Apriori是针对频繁项集进行关联分析的关联算法。系统中使用了Apriori算法对数据进行分析，找出数据的频繁集，并将结论提供给教师和教务管理人员以图示供其参考。频繁集，即支持度大于最小支持度的项集。
（3）违纪聚类分析的研究及算法实现
聚类分析是数据处理的一个重要方面，聚类的概念：将物理或抽象对象的集合分成相似的对象类的过程。K-means算法是一种通过均值对数据进行聚类的聚类算法，本研究中使用K-means算法对数据进行分簇并进一步分析，得到一个班规定时间内优秀、良好、不合格的学习者总数、违纪次数分别是多少。教师可以根据提供的数据对班级内整体学习者学习情况制定新的策略，教务人员可以根据这个分组数据得到教学质量同教师有关还是和学生有关的一个大致结果。
（4）学习异常的研究及算法实现
本项扩展又可被称为学习者违纪情况的离群点检测，旨在将学生近期违纪情况同历史情况和班级总体情况进行综合对比，当其违纪情况波动超出正常范围时，系统就会在相关模块给对应级别的管理员一个提示，将数据反馈给学院，使管理者可以在第一时间了解学生的思想动态，在一定程度上防止校园事故的发生。这项分析依然是使用LOF算法进行的，相较之于数据清洗只不过是将寻找离群点的范围和深度由原始数据扩展到了已经整理好的数据上。
5.3数据分析模块系统实现效果
违纪关联模块实现效果如图11所示，违纪聚类分析模块实现效果如图12所示，学习异常分析模块如图13所示。
6总结
6.1本系统开发中的主要特色
本系统创新性的结合了物联网技术和一卡通技术，在利用物联网设备采集数据的同时结合校园服务、教学辅助以及学生管理方面的具体应用进行了系统设计与实现，可扩展性较强，可以为更多相关的研究人员提供经验。另外，在开发后期加入了算法分析模块，利用不同算法对学生的考勤进行了聚类、异常和关联三个方面的深度挖掘，为相关研究提供了思路。
6.2本系统尚未考虑的问题及后续工作
在功能上，该系统目前为止只分析了考勤情况本身所能展现出来的信息，联系学校其他系统中的成绩等其他信息还有很强的可扩展空间；另外，系统只涉及考勤信息，后续研究人员可以对其他方面进行扩展，例如宿舍门禁和校园安全。在技术上，移动端因为安全性等问题中途夭折，虽然可以直接用手机端访问网站，但是如果其他研究人员有APP开发相关经验可以对考勤系统的移动端进行开发。在标准上，现阶段并没有很成熟的可以应用在教育方面的物联网设备标准，导致购置设备时总会出现各种问题，希望其他研究人员在进行相关研究时能就相关标准进行讨论。
