集成iBeacon技術(shù)的移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 ?要： 針對(duì)高校考勤效率低、課堂互動(dòng)性手段少、資源共享實(shí)時(shí)性低等問題，通過對(duì)iBeacon定位技術(shù)的分析研究，以微信公眾平臺(tái)為依托，實(shí)現(xiàn)了集成iBeacon技術(shù)的移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。系統(tǒng)兼容iBeacon室內(nèi)精確定位和GPS定位兩種方式，使用手機(jī)登錄微信公眾號(hào)就能完成考勤、信息查詢、教學(xué)互動(dòng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表生成等功能。系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、靈活度高和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在多個(gè)高校順利通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，效果良好，大大提升了線下課堂教學(xué)的考勤效率和互動(dòng)性。

關(guān)鍵詞： iBeacon;室內(nèi)定位;移動(dòng)教學(xué);微信;考勤

中圖分類號(hào)： TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.011

本文著錄格式：彭毅弘. 集成iBeacon技術(shù)的移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2019，40（4）：5660

【Abstract】： For the problems of low efficiency in college attendance， less interactive means in the classroom， and low real time sharing of resources， the mobile teaching system integrated with iBeacon technology is completed based on WeChat public platform through the analysis and research of iBeacon positioning technology. This system is compatible with iBeacon indoor positioning and GPS positioning， use mobile phone to login WeChat public number can complete attendance， information inquiry， teaching interaction， real-time data statistics， report generation and other functions. The system has the characteristics of low construction cost， high flexibility and practicability， and have good test results in several universities， greatly improves the attendance efficiency and interaction of offline classroom teaching.

【Key words】： iBeacon; Indoor location; Mobile teaching; WeChat; Attendance

0 ?引言

智能手機(jī)的全面普及催生了各種移動(dòng)教學(xué)系 統(tǒng)[1]，利用智能手機(jī)的定位功能和聯(lián)網(wǎng)功能，系統(tǒng)可以把功能拓展到線下的現(xiàn)場(chǎng)授課管理，更好地克服了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)活動(dòng)地點(diǎn)隨機(jī)性、學(xué)生人數(shù)多和教學(xué)內(nèi)容應(yīng)變性等問題。目前主流的移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)主要有考勤、實(shí)時(shí)互動(dòng)、線上授課、資料分享和數(shù)據(jù)分析五大功能[2]，在考勤功能上更多是依賴智能手機(jī)的GPS定位功能，但GPS無法在室內(nèi)準(zhǔn)確定位，而且還可以利用軟件篡改位置，為了克服這些缺陷，

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)引入iBeacon定位技術(shù)，同時(shí)考慮到微信在學(xué)生群體中具有較高的使用率和黏著度，后續(xù)更容易促進(jìn)教育普及和平臺(tái)多樣化構(gòu)建[3]，因此采用微信公眾號(hào)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

1 ?iBeacon技術(shù)分析

1.1 ?iBeacon的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

iBeacon是蘋果公司在2013年發(fā)布的一種基于低功耗藍(lán)牙（BLE）通信的精確位置感知技術(shù)，其工作方式是通過藍(lán)牙的廣播頻道向周圍發(fā)送自己特有的ID，但本身無法接收消息，接收到該ID的設(shè)

備會(huì)使用應(yīng)用程序APP與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)感知和定位等服務(wù)[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)的WiFi或GPS定位系統(tǒng)，基于iBeacon技術(shù)的定位系統(tǒng)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[5]：

（1）定位更精準(zhǔn)。在拓?fù)浜侠怼⑺惴ㄟm當(dāng)?shù)那闆r下，iBeacon定位精度可達(dá)到厘米級(jí)別，能有效克服GPS無法在室內(nèi)準(zhǔn)確定位的缺點(diǎn)。

（2）部署方便，成本低。iBeacon設(shè)備外圍電路極為簡(jiǎn)單，天線多為板載天線形式，配上一粒紐扣電池，體積通常不超過1元硬幣大小，部署起來非常方便。

（3）超低功耗。一粒普通的紐扣電池可供一個(gè)iBeacon設(shè)備使用1～2年時(shí)間。

（4）強(qiáng)大的編程功能。通過調(diào)用iBeacon技術(shù)提供的API 接口，可實(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用拓展功能。

（5）適用廣泛。所有搭載有BLE4.0以上版本的設(shè)備都可以作為iBeacons技術(shù)的發(fā)射器和接收器。

1.2 ?定位原理

iBeacon是一種基于藍(lán)牙的2.4G射頻技術(shù)[6]，利用廣播方式，以一定的時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包格式按如下順序從低到高分別是：

（1）iBeacon prefix（9字節(jié)）：02 01 06 1A FF 4C 00 02 15

（2）Proximity UUID（16字節(jié)）：iBeacon設(shè)備廠商識(shí)別號(hào)

（3）Major（2字節(jié)）：相當(dāng)于群組號(hào)，同一個(gè)組里iBeacon設(shè)備有同樣的Major

（4）Minor（2字節(jié)）：相當(dāng)于識(shí)別群組里單個(gè)的iBeacon設(shè)備

（5）TX power（1字節(jié)）：發(fā)射功率。

UUID+Major+Minor構(gòu)成了一個(gè)唯一的iBeacon設(shè)備識(shí)別號(hào)，類似于網(wǎng)絡(luò)中的IP地址。當(dāng)iBeacon設(shè)備在一個(gè)區(qū)域內(nèi)廣播自己的信號(hào)時(shí)，通過識(shí)別號(hào)就完成了對(duì)一個(gè)特定區(qū)域的標(biāo)記。

TX power是距離iBeacon設(shè)備1米測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度值，用于計(jì)算距離。根據(jù)無線信號(hào)空間傳播的能量衰減規(guī)律，藍(lán)牙信號(hào)的能量強(qiáng)度將隨著傳播距離的增大而衰減[7]，計(jì)算接收設(shè)備和iBeacon設(shè)備距離的計(jì)算公式如式（1）所示。

d=10^（（abs（RSSI）A）/（10*n）） （1）

其中，d是收發(fā)設(shè)備間距離，RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度，A是接收端和發(fā)射端相隔1米時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度， n是環(huán)境衰減因子，一般取經(jīng)驗(yàn)值。獲取到RSSI值和A值，便可求得距離d。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?業(yè)務(wù)分析

本系統(tǒng)的主要使用者是學(xué)生和教師，根據(jù)角色的使用需求進(jìn)行建模，歸納出四大業(yè)務(wù)功能，分別是信息管理、身份認(rèn)證、教學(xué)工具和報(bào)表統(tǒng)計(jì)。信息管理包括個(gè)人資料、學(xué)生名單導(dǎo)入、學(xué)生名單查詢/編輯等功能，身份認(rèn)證包括注冊(cè)和登錄，教學(xué)工具包括簽到、課堂互動(dòng)、課表查看等功能，報(bào)表統(tǒng)計(jì)主要是考勤報(bào)表的展示和導(dǎo)出。在注冊(cè)階段，通過選擇學(xué)生或教師的不同角色，得到不同的功能界面。學(xué)生端的主要功能包括簽到、查詢考勤情況、設(shè)置個(gè)人信息和查詢課表等，教師端的主要功能包括簽到、設(shè)置課程、導(dǎo)入學(xué)生名單、查詢簽到情況、查詢課表等。其中教師端的簽到功能具有補(bǔ)假助簽、簽到方式設(shè)置和開啟簽到三種功能。針對(duì)學(xué)生的請(qǐng)假、補(bǔ)假、手機(jī)損壞、忘帶手機(jī)或手機(jī)無法上網(wǎng)而造成無法通過本系統(tǒng)簽到的情況，可以通過教師端的補(bǔ)假助簽功能完成考勤狀態(tài)的修改。簽到方式有GPS方式和iBeacon方式兩種可以選擇，如果對(duì)考勤位置要求不高，或者教師忘記攜帶iBeacon設(shè)備，可以開啟GPS簽到方式，這種方式要求學(xué)生手機(jī)也要開啟GPS定位功能，通過計(jì)算學(xué)生和教師的距離來判斷是否可以簽到。GPS的位置測(cè)算在室內(nèi)誤差較大，所以一般建議采用iBeacon方式進(jìn)行簽到。系統(tǒng)通過兼容兩種簽到方式，能夠提高系統(tǒng)使用的靈活性，既能低成本的使用GPS方式，也能切換到高精度iBeacon定位從而確保考勤數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，對(duì)于系統(tǒng)的普及和推廣有很大的幫助。一旦教師開啟簽到功能，系統(tǒng)默認(rèn)學(xué)生簽到時(shí)間在5分鐘內(nèi)完成，5分鐘時(shí)間一到即關(guān)閉簽到功能，當(dāng)然教師也能設(shè)置一次簽到的時(shí)間長(zhǎng)度。教師可以在課堂的任何時(shí)間，開啟簽到功能多次，最終在課程結(jié)束時(shí)間會(huì)生成當(dāng)次課程的考勤報(bào)表，以供學(xué)生和教師隨時(shí)查看或?qū)С鍪褂谩？记跀?shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)同步至服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各用戶間的無縫共享。

2.2 ?系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)采用iBeacon定位方式時(shí)，手機(jī)開啟藍(lán)牙功能，一旦進(jìn)入iBeacon基站的信號(hào)范圍，手機(jī)就能接收到iBeacon的設(shè)備識(shí)別號(hào)，然后通過4G或Wifi與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，從而完成簽到、課堂互動(dòng)等功能。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)獲取到的學(xué)生手機(jī)和教師手機(jī)的當(dāng)前位置計(jì)算距離，該距離只有在約定范圍內(nèi)的學(xué)生手機(jī)才能完成簽到功能。后臺(tái)服務(wù)器主要包括負(fù)責(zé)用戶身份認(rèn)證的微信公眾號(hào)平臺(tái)服務(wù)器、為用戶提供服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。系統(tǒng)還提供后臺(tái)管理功能，統(tǒng)一管理和設(shè)置用戶身份信息、課程信息、簽到數(shù)據(jù)和學(xué)校相關(guān)信息等。

2.3 ?系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)包括硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)的各組成部分劃分成5個(gè)邏輯層次[8]，如圖2所示。硬件設(shè)備和位置感知層為系統(tǒng)提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施，教師可隨身攜帶iBeacon基站，教師手機(jī)和學(xué)生手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步;數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的建模和處理;業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用的邏輯處理;應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的應(yīng)用功能;在表示層，用戶通過手機(jī)登錄微信公眾號(hào)就能使用系統(tǒng)的功能，無需額外安裝App。

3 ?系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 ?開發(fā)和部署環(huán)境

在移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，Web應(yīng)用服務(wù)器采用Tomcat服務(wù)器，框架采用Spring MVC+ Hibernate框架。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)以滿足系統(tǒng)的性能要求。開發(fā)環(huán)境采用開源工具Eclipse。手機(jī)端結(jié)合微信API技術(shù)進(jìn)行界面研發(fā)。

iBeacon基站選用北京SENSORO公司自主研發(fā)的云子設(shè)備，其核心采用了Nordic nRF51822芯片，發(fā)射功率30 dBm到+4 dBm可調(diào)節(jié)，傳輸距離3米至80米可分檔調(diào)節(jié)，廣播頻率100ms至1285ms可分檔調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率、傳輸距離和廣播頻率，可以優(yōu)化信號(hào)覆蓋范圍及信號(hào)傳輸效率。

3.2 ?集成iBeacon基站

首先通過在微信公眾號(hào)后臺(tái)申請(qǐng)iBeacon設(shè)備號(hào)，然后通過移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的后臺(tái)，把該設(shè)備號(hào)與提出申領(lǐng)iBeacon設(shè)備的教師ID在數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)聯(lián)起來，此時(shí)每個(gè)教師對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的iBeacon設(shè)備號(hào)。在使用iBeacon設(shè)備之前，先把綁定的設(shè)備號(hào)設(shè)置進(jìn)該iBeacon設(shè)備中，同時(shí)激活設(shè)備。上課時(shí)登陸微信公眾號(hào)啟動(dòng)簽到功能，學(xué)生只要進(jìn)入iBeacon設(shè)備的廣播范圍，通過登陸公眾號(hào)學(xué)生端，就能成功簽到。

3.3 ?簽到功能實(shí)現(xiàn)

完成簽到的過程中，關(guān)鍵功能是對(duì)iBeacon設(shè)備的查找和識(shí)別。基于微信公眾號(hào)平臺(tái)，可以使用微信JS-SDK來查找iBeacon設(shè)備[9]。具體流程是：

（1）為公眾號(hào)綁定域名。

（2）在調(diào)用JS接口的頁(yè)面引入JS文件：http：//res.wx.qq.com/open/js/jweixin-1.2.0.js 。

（3）通過config接口注入如下權(quán)限驗(yàn)證配置 信息：

wx.config（{

debug： false，

appId： ''，

timestamp： ，

nonceStr： ''，

signature： ''，

Jsapilist：[

'openLocation'，

'startSearchBeacons'，

'getLocation'，

'stopSearchBeacons'，

'stopSearchBeacons'，

'openLocation' ]

}）;

appId是公眾號(hào)的唯一標(biāo)識(shí)，timestamp是生成簽名的時(shí)間戳，nonceStr是生成簽名的隨機(jī)串，signature是簽名，JsApiList是需要使用的JS接口列表，列表中的startSearchBeacons就是能夠獲取到iBeacon設(shè)備信息的接口函數(shù)。以上的參數(shù)需要在后臺(tái)寫一個(gè)接口獲取。

（4）獲取權(quán)限驗(yàn)證配置信息參數(shù)的接口實(shí)現(xiàn)方法是[10]：使用AppID和AppSecret獲取access_token，access_token是公眾號(hào)的全局唯一票據(jù)，通過這個(gè)access_token來獲取jsapi_ticket，得到j(luò)sapi_ticket意味著得到了公眾號(hào)用于調(diào)用微信JS接口的臨時(shí)票據(jù)，就可以生成JS-SDK權(quán)限驗(yàn)證的簽名了。生成前簽名數(shù)據(jù)signature的公式見公式（2）

Signature = sha1（string1） （2）

公式（2）中string1由nonceStr、有效的jsapi_ ticket、timestamp和當(dāng)前網(wǎng)頁(yè)的URL按照字段名的ASCII 碼從小到大排序后，使用URL鍵值對(duì)的格式拼接而成。對(duì)string1進(jìn)行sha1簽名，便得到signature。

（5）通過正確的簽名，獲得調(diào)用微信JS接口的權(quán)限，就可以直接使用以下函數(shù)搜索到周邊iBeacon設(shè)備：

wx.startSearchBeacons（{

complete： function（result） {

}）;

result為搜索到周邊iBeacon設(shè)備后返回的結(jié)果集，結(jié)果集中包含了周邊iBeacon的設(shè)備號(hào)以及距離等信息。距離數(shù)據(jù)就是學(xué)生手機(jī)與教師所持iBeacon設(shè)備的距離，通過公式（1）計(jì)算所得。

通過匹配學(xué)生當(dāng)前的上課時(shí)間，能夠識(shí)別出當(dāng)前上課的教師ID，從而得到綁定的iBeacon設(shè)備號(hào)，最終得到準(zhǔn)確的距離。當(dāng)該距離超出一定范圍，例如超出50米范圍，則認(rèn)為該學(xué)生不在教室內(nèi)，無法進(jìn)行簽到。如果距離符合要求，則允許學(xué)生將簽到信息提交到服務(wù)器，服務(wù)器將簽到數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，從而標(biāo)記此學(xué)生當(dāng)前的上課狀態(tài)。教師端同步刷新簽到數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簽到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。

3.4 ?數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)與解決方法

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)使用的交叉性[11]。例如排課表和簽到數(shù)據(jù)表同時(shí)關(guān)聯(lián)到教師和學(xué)生兩個(gè)不同角色的操作和查看，在修改數(shù)據(jù)時(shí)容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)與兩個(gè)角色直接關(guān)聯(lián)屬性的丟失，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的冗余數(shù)據(jù)。以考勤數(shù)據(jù)為例，教師添加排課后數(shù)據(jù)庫(kù)得到排課表，排課表里有關(guān)聯(lián)的班級(jí)，當(dāng)學(xué)生加入對(duì)應(yīng)班級(jí)后，排課表就會(huì)與學(xué)生關(guān)聯(lián)起來，然后系統(tǒng)就能計(jì)算出學(xué)生需要簽到的排程數(shù)據(jù)。每天凌晨1點(diǎn)左右，通過系統(tǒng)程序設(shè)定好的定時(shí)器，生成當(dāng)天需要簽到

的排程數(shù)據(jù)。在生成排程上使用了性能穩(wěn)定的Quartz開源作業(yè)調(diào)度框架[12]。這種方式會(huì)遺留兩個(gè)問題：第一，如果學(xué)生在生成當(dāng)天簽到排程之前，沒有完成注冊(cè)和加入班級(jí)的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)中將不會(huì)有這個(gè)學(xué)生的簽到排程;第二，如果教師在生成簽到排程之后對(duì)排課表或者班級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整，簽到排程將可能會(huì)錯(cuò)誤。以上問題通過添加觸發(fā)器來處理，對(duì)于新加入到班級(jí)的學(xué)生，當(dāng)學(xué)生加入成功后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件，事件觸發(fā)系統(tǒng)去計(jì)算當(dāng)天是否有課程，從而決定要不要往數(shù)據(jù)庫(kù)添加新的簽到排程。教師對(duì)課程表的修改也類似的產(chǎn)生一個(gè)修改事件，然后觸發(fā)系統(tǒng)對(duì)排程的校驗(yàn)，從而決定是否需要修改與之相關(guān)的簽到排程。

另外，由于數(shù)據(jù)庫(kù)每天會(huì)產(chǎn)生很多新的考勤數(shù)據(jù)，如果一直累積，數(shù)據(jù)量將會(huì)非常龐大。為了提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，將每天新的簽到數(shù)據(jù)和歷史簽到數(shù)據(jù)進(jìn)行了分離，使得每天簽到的排程里只有當(dāng)天的數(shù)據(jù)，極大提高了系統(tǒng)的性能。對(duì)于歷史簽到數(shù)據(jù)，由于其修改的要求和頻率不高，所以將這些數(shù)據(jù)固化到報(bào)表里面，系統(tǒng)會(huì)在每天凌晨時(shí)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，供不同角色查詢。

4 ?應(yīng)用成效

本系統(tǒng)在試用階段，注冊(cè)教師20人，注冊(cè)學(xué)生2043人，涉及8個(gè)學(xué)校12個(gè)專業(yè)，對(duì)系統(tǒng)的四大業(yè)務(wù)功能模塊信息管理、身份認(rèn)證、教學(xué)工具和報(bào)表統(tǒng)計(jì)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。其中10個(gè)教師使用iBeacon定位方式進(jìn)行考勤，另外10個(gè)教師使用GPS定位方式進(jìn)行考勤。表1列出了主要模塊的實(shí)測(cè)結(jié)果。

通過實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)軟硬件的可行性和可用性，實(shí)現(xiàn)了靈活的線上資源分享功能，大大提高了課堂考勤效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和多渠道獲取。

5 ?結(jié)語

本系統(tǒng)具有課堂互動(dòng)性強(qiáng)、考勤效率高、資源實(shí)時(shí)共享、硬件部署成本低等優(yōu)勢(shì)，是利用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化教學(xué)過程的一種全新實(shí)踐。系統(tǒng)后期的功能拓展是多方面的，例如系統(tǒng)中的簽到功能可以進(jìn)一步應(yīng)用在超百人會(huì)議的快速簽到、戶外活動(dòng)的人員跟蹤等。通過增加慕課模塊，進(jìn)一步發(fā)展成線上教學(xué)和線下教學(xué)的深度結(jié)合。

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