基于藍(lán)牙4.0的課堂簽到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

戴志誠(chéng)　周家瑤

(華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心　湖北 武漢 430000)

0　引　言

當(dāng)我國(guó)高校教學(xué)管理從傳統(tǒng)的學(xué)年制向西方的學(xué)分制轉(zhuǎn)型時(shí)，大學(xué)生的逃課情況突顯出來，受到了較高的關(guān)注。[1]如何加強(qiáng)高校課堂管理和促進(jìn)高校良好學(xué)風(fēng)的養(yǎng)成一直是值得思考和研究的問題。目前，高校課堂簽到方式呈現(xiàn)出多樣化。但是大多數(shù)教師仍采用原始紙質(zhì)名單點(diǎn)名的方式來簽到，部分教師采用了電子化的簽到方式，如感應(yīng)卡[2]、指紋識(shí)別[3]、人臉識(shí)別[4]等，這些方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。而這些電子化簽到方式?jīng)]能在課堂簽到中大范圍推廣使用，主要原因是校園環(huán)境下課堂簽到同一時(shí)段簽到人數(shù)較多，接觸式或近距離感應(yīng)式的方法會(huì)產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，且成本較高。另外，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的飛速發(fā)展，自帶設(shè)備BYOD[5](Bring Your Own Device)成為現(xiàn)實(shí)，藍(lán)牙4.0也成為各智能終端的標(biāo)準(zhǔn)配置?；谒{(lán)牙4.0技術(shù)在室內(nèi)定位的應(yīng)用前景[6]，課堂主動(dòng)簽到系統(tǒng)采用其定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)位置感知，將部署在教室內(nèi)的多個(gè)基于藍(lán)牙4.0信標(biāo)設(shè)備作為參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)終端接受參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)并計(jì)算出相對(duì)位置[6]，從而判斷移動(dòng)終端持有者是否在該教室內(nèi)，達(dá)到課堂主動(dòng)簽到的目的。系統(tǒng)以一種不引起學(xué)生的負(fù)面情緒的方式記錄學(xué)生的到課情況和學(xué)習(xí)行為，營(yíng)造學(xué)生和教師之間和諧友好氛圍,促使教學(xué)相長(zhǎng)。

近幾年，在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)行業(yè)中，大數(shù)據(jù)的研究成為熱點(diǎn)，大數(shù)據(jù)同樣被認(rèn)為在教育領(lǐng)域會(huì)大有所為，大數(shù)據(jù)將給教育領(lǐng)域帶來革命性的變化。學(xué)生的位置信息是學(xué)生學(xué)習(xí)行為的重要數(shù)據(jù)，也是教育大數(shù)據(jù)的重要來源?；谒{(lán)牙4.0的課堂簽到系統(tǒng)及其擴(kuò)展應(yīng)用，能主動(dòng)記錄學(xué)生的位置信息，為教育大數(shù)據(jù)及其分析提供了必要的支撐。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)框架和功能設(shè)計(jì)

課堂簽到系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：移動(dòng)端、服務(wù)器端和PC端。簽到服務(wù)采用C/S+B/S的架構(gòu)，其中C/S中的Server端是后臺(tái)Web服務(wù)器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算并提供相應(yīng)的接口服務(wù)，Client端是指移動(dòng)APP，供學(xué)生或教師使用。B/S中的Server同C/S中的Server，Client端是PC端瀏覽器。移動(dòng)端設(shè)備需配備BLE(Bluetooth Low Energy)，當(dāng)攜帶移動(dòng)設(shè)備的用戶進(jìn)入有部署信標(biāo)設(shè)備的地方時(shí)，移動(dòng)設(shè)備接收參考信標(biāo)發(fā)送的信號(hào)，定位當(dāng)前所在位置。通過無線網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)的服務(wù)器做數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)確認(rèn)，而PC端則可以即時(shí)更新最新數(shù)據(jù)。課堂簽到系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　課堂簽到系統(tǒng)拓?fù)鋱D

課堂簽到系統(tǒng)主要設(shè)置三大功能模塊，分別為：面向?qū)W生的信息管理模塊提供學(xué)生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能，包括注冊(cè)與簽到管理和課程查詢功能，以及簽到記錄的查看，方便學(xué)生對(duì)于教室安排以及個(gè)人課程簽到信息的了解；面向教師的課程實(shí)時(shí)簽到管理模塊提供課程當(dāng)前簽到情況以及課程以往簽到情況匯總，方便教師即時(shí)了解課程簽到情況；面向管理人員的教室信息管理，方便管理人員對(duì)于教室課程安排的登記和變更管理。

課堂簽到系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)大量的用戶對(duì)服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求以及對(duì)數(shù)據(jù)庫高頻次訪問，服務(wù)器須具備處理高并發(fā)信息的能力。簽到系統(tǒng)采用的是MVC體系結(jié)構(gòu)，其功能模塊利用PHP語言來實(shí)現(xiàn)的。PHP腳本在服務(wù)器端運(yùn)行，各終端是經(jīng)由HTTP請(qǐng)求向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)，無需考慮用戶終端和操作系統(tǒng)上的差別，用戶端應(yīng)用支持HTTP請(qǐng)求簽到系統(tǒng)就能夠使用。課堂簽到實(shí)時(shí)管理使用MQTT協(xié)議即時(shí)獲取最新簽到信息。學(xué)生、教師以及信息管理員通過應(yīng)用表示層來訪問系統(tǒng)，用戶在進(jìn)行身份認(rèn)證之后賦予相應(yīng)的權(quán)限，用戶填寫修改數(shù)據(jù)并提交等則需要通過業(yè)務(wù)邏輯層來實(shí)現(xiàn)，由業(yè)務(wù)邏輯層提交給資源訪問層錄入和修改數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)。簽到系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　簽到系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2　系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

新用戶需要在移動(dòng)端的應(yīng)用注冊(cè)、填寫賬號(hào)密碼等相關(guān)信息，這些信息提交之后賬號(hào)會(huì)與移動(dòng)設(shè)備端的MAC地址綁定，將學(xué)生的學(xué)號(hào)作為賬號(hào)名。賬號(hào)與MAC地址綁定之后，該設(shè)備就只能登錄與之綁定的賬號(hào)。設(shè)置MAC地址綁定可以防止代替簽到現(xiàn)象。

簽到系統(tǒng)需感知學(xué)生在手持移動(dòng)設(shè)備時(shí)所處的位置并判斷是否執(zhí)行簽到動(dòng)作。具體簽到流程如圖3所示。

圖3　簽到流程圖

1.3　相關(guān)設(shè)備

系統(tǒng)使用了基于BLE的室內(nèi)定位技術(shù)來確定移動(dòng)端的位置，從而判斷是否進(jìn)行課程簽到，這是系統(tǒng)中進(jìn)行主動(dòng)簽到最主要的部分。信標(biāo)設(shè)備的藍(lán)牙模塊由NORDIC nRF51822芯片實(shí)現(xiàn)。信標(biāo)設(shè)備發(fā)送無線信號(hào)，移動(dòng)終端接受無線信號(hào)。iPhone5c智能移動(dòng)終端作為信號(hào)接收端，其支持藍(lán)牙4.0協(xié)議。藍(lán)牙信標(biāo)有相應(yīng)的UUID、major和minor來區(qū)分它們，信標(biāo)使用的是廣播模式，移動(dòng)設(shè)備端無需與信標(biāo)設(shè)備連接即可接收到信標(biāo)廣播的信號(hào)。

2　定位算法研究

隨著無線通信和傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究在最近十年也取得了比較大的進(jìn)展。已經(jīng)有許多室內(nèi)定位技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，并且各自有不同的硬件需求和定位精度[6]。無需測(cè)距的定位算法雖然有著成本較低、能耗也低、計(jì)算量和通信量較小的優(yōu)勢(shì),但是基于測(cè)距的定位算法定位精度一般都要高[7]?；贐LE的室內(nèi)定位技術(shù)屬于測(cè)距定位類定位精度高，并且藍(lán)牙4.0協(xié)議使得基于BLE定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成本降低。

定位的實(shí)現(xiàn)需要考慮多個(gè)方面，有準(zhǔn)確度、精確度、復(fù)雜性、可擴(kuò)展性、魯棒性和成本，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要在這些方面進(jìn)行權(quán)衡[6]。根據(jù)課堂簽到的實(shí)際情況，定位誤差在0.5米左右就可以滿足課堂主動(dòng)簽到系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求，同時(shí)需要綜合考慮定位算法的復(fù)雜度、魯棒性以及定位的延時(shí)時(shí)間和耗電等因素。

2.1　定位算法分析

基于距離的加權(quán)質(zhì)心算法定位法用于已知待測(cè)點(diǎn)距參考節(jié)點(diǎn)距離的定位。已知三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)AP1(x1,y1)、AP2(x2,y2)、AP3(x3,y3)和待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)MP(x,y)，已知待測(cè)點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別為r1、r2，以及r3的情況下，可以作三個(gè)圓：

(1)

若測(cè)距無誤差，三個(gè)圓兩兩相交于一點(diǎn)，可以通過計(jì)算得出待測(cè)點(diǎn)MP的坐標(biāo)(如圖4所示三個(gè)虛線圓相交于點(diǎn)MP)。由于RSSI通過路徑損耗傳播模型獲得的距離有一定的誤差[10]，三個(gè)圓是兩兩相交構(gòu)成一個(gè)區(qū)域(圖4所示的三個(gè)實(shí)線圓兩兩相交構(gòu)的交點(diǎn)A、B、C以及成的陰影區(qū)域)，待測(cè)點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)。為獲得較為精確的定位結(jié)果,采用加權(quán)質(zhì)心算法[12-13]來估測(cè)待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，以獲取相對(duì)于單一算法較為精確的定位結(jié)果。

圖4　信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位圖

2.1.1無線電傳播路徑損耗模型分析

RSSI利用已知發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算信號(hào)在傳播過程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離[8]。RSSI測(cè)距利用接收信號(hào)強(qiáng)度和理論或經(jīng)驗(yàn)的路徑損耗傳播模型計(jì)算距離，其統(tǒng)計(jì)模型[9]如下:

(2)

式中：P(d)為在距離d處的信號(hào)強(qiáng)度；np為路徑損耗因子，取值范圍在2到4之間[10]；P0為參考距離d0處的信號(hào)強(qiáng)度(單位為dBm)。d0的取值為1米時(shí)，P0的值為距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1米處的RSSI的值，在此情況下，距離與RSSI值之間的關(guān)系如下：

(3)

式中：P(d)為距離d處的RSSI的值,參數(shù)P0和np即可確定距離d和RSSI的值P(d)之間的函數(shù)關(guān)系。然而，RSSI的值受環(huán)境因素影響較大，不穩(wěn)定具有較大的波動(dòng)性[11]。所以實(shí)際在接受RSSI的值時(shí)，RSSI由于環(huán)境因素的影響，不會(huì)是一個(gè)固定的值，有一定的波動(dòng)性。將RSSI分別做中值濾波、均值濾波和混合濾波優(yōu)化之后做擬合，擬合結(jié)果表明在數(shù)據(jù)較少時(shí)中值濾波優(yōu)化后的擬合效果最好。優(yōu)化后RSSI值與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　距離與RSSI值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

將表1中的數(shù)據(jù)采用式(2)的函數(shù)做最小二乘法曲線擬合。擬合結(jié)果如圖5所示，其中參數(shù)P0和np的初始值分別為-76 dBm和2，擬合得到的曲線中參數(shù)的值分別為P0=-77.42 dBm，np=1.87。兩個(gè)參數(shù)的初始值和擬合結(jié)果之間的誤差分別為1.42和0.13，擬合結(jié)果可靠。實(shí)驗(yàn)表明，RSSI的值與對(duì)應(yīng)的距離關(guān)系的確存在函數(shù)關(guān)系，通過曲線擬合、參數(shù)優(yōu)化等方法，可以通過RSSI的值得到對(duì)應(yīng)的距離d。

圖5　距離與RSSI值關(guān)系的擬合曲線

2.1.2質(zhì)心算法的分析

確定RSSI與距離對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到相應(yīng)的參數(shù)后，可以由RSSI確定待測(cè)點(diǎn)距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，就可由質(zhì)心定位算法得到待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的基于RSSI測(cè)距的質(zhì)心定位，往往需要大量的錨節(jié)點(diǎn)來估測(cè)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置，覆蓋待測(cè)點(diǎn)的錨節(jié)點(diǎn)越多，通過估算得到的待測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)越多，根據(jù)獲取的這些待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成的多邊形，取這個(gè)多邊形的質(zhì)心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真中，這種方法的確能得到精確度很高的定位結(jié)果，但是在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，受到成本、以及定位的時(shí)延等的限制，不能大密度地在一個(gè)空間內(nèi)布置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。具體現(xiàn)實(shí)時(shí)需要的定位精度和成本之間做出衡量，需要找到既能滿足定位精度要求，同時(shí)成本也在可接受范圍內(nèi)的定位方法。

(4)

(5)

2.2　定位算法可行性實(shí)驗(yàn)

以上提出的定位算法，減少了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)化了修正質(zhì)心算法，對(duì)于定位精度是否能達(dá)到預(yù)期的效果，需要通過具體的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

由圖5中的擬合曲線可知，在距離為小于5 m時(shí)，RSSI值隨距離增大變化明顯；在距離大于5 m以后，隨距離增大RSSI的值變化較為平緩。為了獲得較為精確的定位結(jié)果，部署信標(biāo)時(shí)將每個(gè)信標(biāo)的有效覆蓋范圍當(dāng)作5 m來部署，待測(cè)點(diǎn)至少被三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋才可通過定位算法獲得其坐標(biāo)。使用MATLAB做算法可行性仿真實(shí)驗(yàn)，在大小為800 cm×1 200 cm的空間，按照每個(gè)點(diǎn)至少被三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋的布點(diǎn)規(guī)則設(shè)置新表節(jié)點(diǎn)的位置，總共設(shè)置8個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn),定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　MATLAB定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

直線誤差的計(jì)算如下：

(6)

(7)

(8)

式(6)中LE表示定位誤差；(x,y)表示待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；(xs,ys)表示定位結(jié)果；式(7)中xer表示x值的偏移；式(8)中yer表示y值的偏移。在MATLAB做算法測(cè)試時(shí)，隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)的定位結(jié)果如表2所示，定位誤差在0.6米左右滿足課堂主動(dòng)簽到系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，理論上簡(jiǎn)化后的修正算法是可行的，在制定地點(diǎn)的主動(dòng)簽到中，此算法達(dá)到基本的定位精度要求。

表2　定位結(jié)果以及定位誤差

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在華中師范大學(xué)的一間智慧教室進(jìn)行簽到實(shí)驗(yàn)，教室內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)按照算法測(cè)試部分的部署規(guī)則進(jìn)行部署。實(shí)際情況如圖7所示。圖7中圈出的物體就是信標(biāo)設(shè)備，參考信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是部署在教室天花板上。

圖7　實(shí)驗(yàn)環(huán)境

服務(wù)器在Linux平臺(tái)上搭建，采用的是Apache HTTP Server和MySQL數(shù)據(jù)庫。Web服務(wù)器后臺(tái)采用PHP語言進(jìn)行開發(fā)，PHP是一種開源的腳本語言，具有跨平臺(tái)、效率高等特性。感知平臺(tái)后臺(tái)服務(wù)器為平臺(tái)中的Service提供基礎(chǔ)信息服務(wù)接口，包括基礎(chǔ)信息獲取、統(tǒng)一身份驗(yàn)證、集中權(quán)限管理、統(tǒng)一事件記錄等基礎(chǔ)服務(wù)。為了平臺(tái)中各個(gè)子系統(tǒng)接入安全和方便，簽到系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)采用一定的規(guī)范。首先，參數(shù)中帶有敏感信息的接口采用POST方法代替GET方法，防止敏感信息泄露。其次，接口返回給客戶端的數(shù)據(jù)格式采用常用的JSON格式，該格式比較輕量、簡(jiǎn)潔，且各平臺(tái)都有成熟的解析方案。同時(shí)，所有返回的JSON信息都按照統(tǒng)一的格式規(guī)范，方便客戶端的進(jìn)一步處理，其統(tǒng)一結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3　服務(wù)端JSON數(shù)據(jù)格式規(guī)范

其中，code字段是返回的狀態(tài)碼信息，方便客戶端開發(fā)，該字段也做了統(tǒng)一的規(guī)定；info字段是返回的簡(jiǎn)單描述信息，描述返回的狀態(tài)，用于提示客戶端開發(fā)者；data字段是返回的核心數(shù)據(jù)，可能是一條JSON數(shù)據(jù)，也可能是JSON數(shù)組，需要客戶端根據(jù)具體場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

簽到服務(wù)后臺(tái)主要為移動(dòng)客戶端和PC端提供API接口，其中最重要的接口是簽到接口。除了認(rèn)證接口和簽到接口外，Web服務(wù)器還需要提供課程查詢、簽到記錄查詢等接口信息。

移動(dòng)端應(yīng)用使用Xcode作為開發(fā)平臺(tái)，程序開發(fā)語言使用的是Object-C，移動(dòng)端使用iPhone5c完成學(xué)生身份識(shí)別以及位置感知的功能，定位算法在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)客戶端通過2G、3G、4G或是Wi-Fi與服務(wù)器相連接，根據(jù)位置感知確認(rèn)執(zhí)行簽到動(dòng)作，簽到信息會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。移動(dòng)客戶端可通過無線連接服務(wù)器獲取已選課程信息或是查看各課程的簽到記錄等。移動(dòng)終端的簽到應(yīng)用的部分功能界面如圖8所示。

(a) 應(yīng)用界面 (b) 簽到返回信息界面圖8　簽到應(yīng)用

PC端的實(shí)現(xiàn)使用了HTML和JavaScript等語言。PC端通過WebSocket與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)連接，通過MQTT協(xié)議PC端可以從服務(wù)器獲取最新的即時(shí)簽到信息并顯示相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖9是PC端獲取的課程實(shí)時(shí)簽到信息，包括相應(yīng)課程的應(yīng)到人數(shù)，實(shí)到人數(shù)，到課率以及學(xué)生的簽到信息。

圖9　PC端實(shí)時(shí)簽到統(tǒng)計(jì)頁面

4　結(jié)　語

系統(tǒng)在華中師范大學(xué)的一間智慧教室運(yùn)行良好。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)于位置感知的簽到能準(zhǔn)確地判斷并完成主動(dòng)簽到，為課堂簽到提供了一種新的簽到體驗(yàn)方式,且簽到效率高。簽到系統(tǒng)使用基于藍(lán)牙4.0的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)位置感知的功能，從而實(shí)現(xiàn)指定地點(diǎn)的主動(dòng)簽到。藍(lán)牙4.0低功耗、低成本的特征使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低。信標(biāo)設(shè)備布設(shè)簡(jiǎn)單，在不同的室內(nèi)空間只需根據(jù)測(cè)試部分的部署規(guī)則進(jìn)行部署，只需更改定位算法中和信標(biāo)信息，如位置信息、UUID等相關(guān)的數(shù)據(jù)就可使用。系統(tǒng)不足之處是在教室范圍的臨界處時(shí)，由于定位誤差會(huì)對(duì)簽到過程有影響。后期的研究工作需要根據(jù)具體的地理位置信息建立BeaconMap來實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的管理，以及研究自適應(yīng)的容錯(cuò)技術(shù)來解決實(shí)際簽到時(shí)的定位誤差對(duì)簽到結(jié)果的影響。

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