基于iBeacon及人臉識別的高校智慧教室考勤系統

曾水新 黃日勝

（河源職業技術學院 廣東省河源市 517000）

考勤活動是高校最基本的日常管理事務之一，考勤系統是高校智慧教室的重要組成模塊。中小學由于座位固定，教師容易發現缺席的學生，因此采取紙質考勤或者教師人工錄入信息的方式即可；企業考勤的特點是場地固定、人員少，通常在入口加一個考勤機即可。高校的考勤有其特殊性：教室不固定、時間不固定、學生人數多，因此高校考勤如果采用人工點名的方式會效率低下，影響上課；如果采用信息化系統，它的需求比普通的考勤系統更多：高效率、低成本、地點識別、防代簽等。

1 各類考勤系統技術簡介

1.1 基于IC卡、RFID技術的打卡考勤機

基于IC 卡、RFID 卡（Radio Frequency Identification，射頻識別）技術的考勤機廣泛應用于企業考勤。二者的原理是一樣的，即將用戶與卡片識別碼綁定，考勤機讀取、驗證卡片后，新增一項刷卡記錄[1]。

打卡考勤機的優點是直觀、簡單、便捷、正確率高。很多企業將門禁卡和考勤卡合二為一，開門即考勤。IC 卡須接觸才能被讀取，RFID 卡須近距離才能被讀取，因此打卡記錄里隱含了地點信息，地點信息對于高校考勤系統非常重要，因為教室ID 是考勤記錄的一個關鍵字段。

打卡考勤機的缺點，一是容易被代簽到，一個用戶可以拿多張卡替他人簽到，要避免可通過人工監督或者人臉識別系統實現。二是建設成本高，打卡機需要外接電源、數據連接（有線接入或無線接入）。在企業，只需在入口安裝一部考勤機即可，建設成本和運行效率仍可接受，換在高校，每個教室須安裝一部考勤機，施工和材料成本則太高。三是效率低，學生需要在教室門口排隊依次打卡，占用正常上課時間；四是學生卡丟失或忘記帶卡時會影響考勤。

1.2 基于指紋識別、人臉識別的生物特征考勤機

基于指紋識別、人臉識別的考勤機都是利用了人的生物特征去識別，只要將手指、人臉放在或面向讀頭即可識別，非常方便。生物特征考勤機將指紋識別、人臉識別算法固化在機器內部，識別成功后，將識別結果發送到服務器[2]。

生物特征考勤機的優點是，很大程度可以防止代簽到現象，且由于不需要卡片作為載體，用戶使用方便。生物特征考勤機的相關技術已經相當成熟，在企業被廣泛使用。

與刷卡考勤機類似，它同樣存在建設成本高、效率低的缺點。此外，有的機器型號出于成本考慮僅支持指紋識別不支持人臉識別，用戶可以很容易在網上購買硅膠指模具，成功欺騙考勤機通過驗證。

1.3 電子教室軟件的考勤模塊

圖1：系統硬件架構圖

圖2：簽到流程圖

很多電子教室軟件都附帶了簽到功能[3]，教師可以發起簽到活動，學生在電腦端輸入自己的姓名，即可完成簽到考勤。這類考勤系統所有學生可以并發簽到，因此速度快、效率高，且不需要額外安裝硬件，降低了成本。但這類考勤系統幾乎沒有防代簽到機制，學生多打開一臺電腦，輸入另一個學生的姓名即可代替其他學生簽到，并且這類考勤系統僅適用于機房，傳統教室無法使用。

1.4 基于手機定位的考勤系統

基于手機定位的考勤系統的解決方案有兩類：

第一類是調用手機的位置服務API[4]。手機的位置服務是通過特定的定位技術來獲取移動手機或終端用戶的位置信息（經緯度坐標），在電子地圖上標出被定位對象的位置的技術或服務。定位技術有三種：

（1）接收衛星定位系統（如GPS、北斗系統）的信號，計算手機所處的位置。

（2）基于移動運營網的基站的定位，利用基站對手機的距離的測算距離來確定手機位置，精度很大程度依賴于基站的分布及覆蓋范圍的大小，誤差會超過一公里。

（3）利用Wi-Fi 信號確定位置，原理是位置服務商建立一個無線信號的數據庫，根據其全球唯一的MAC 地址，映射終端所處位置，因此嚴格地說第三種方式不是手機本身提供的服務。通常手機的位置服務會綜合利用這幾種技術，提高位置的精度。

調用位置服務API 的考勤系統，不容易定位到具體某教室，因為教室里衛星信號非常弱，其精度也不夠。即使在衛星信號充足的情況下，學生還可以使用位置模擬軟件繞過檢測。

第二類是在教室安裝無線AP（Access Point）[5]，由于每個無線AP 的位置是已知的，并且每個無線AP 的接入范圍是有限的，終端連接時會自動選擇信號最好的連接，可以實現室內對終端的精確定位。這類方案的難點在于，AP 信號的強弱受環境（如障礙物、距離）的影響較大，有可能旁邊教室的AP 信號更強,造成識別教室錯誤；再者，雖然全國的高校逐步鋪設無線校園網，但是做到一教室一AP 的方案耗費的硬件成本和實施成本都比較高。

1.5 基于二維碼的考勤系統

基于二維碼的考勤系統的實現思路是，在教室的每個課桌貼上攜帶教室座位信息的二維碼，學生入座后，使用智能手機掃描座位二維碼，即完成點名[6]。從成本和管理的角度考慮，這類考勤系統是理想的，但是學生可以將二維碼拍下照片，發給不在教室的學生，輕松繞過考勤系統。

2 系統硬件架構方案

2.1 可信任簽到系統的關鍵條件

簽到系統要滿足兩個關鍵條件，才能確保簽到數據是可信任的：一是簽到介質（如卡片、手機、電腦等）是否在現場，二是使用介質的是否本人。上文介紹的常見的幾類考勤系統中，只有人臉識別考勤機能較好地同時滿足兩個條件，但建設成本較高。本文提出的基于iBeacon 及人臉識別雙重認證的高校智慧教室考勤系統，既可以滿足兩個條件，并且實施成本低。

2.2 iBeacon技術

iBeacon 是蘋果公司推出的一項室內定位技術,可以讓附近的手持電子設備檢測到由一個iBeacon 信號發射器發出的藍牙信號，通過軟件和硬件的結合，從而大大提高室內精度，從原來的幾百米、幾十米，提高到一米以內的定位精度，它采用了基于藍牙4.0 的低功耗藍牙技術（Bluetooth Low Energy,BLE）,主要是用作輔助室內定位的功能。

iBeacon 在工作時，是由iBeacon 設備在三個廣播信道按一定的時間間隔（一般為300ms、500ms 或900ms）向外廣播數據包。數據包中包含UUID、Major、Minor 三個信息，UUID、major 和minor 值提供iBeacon 的標識信息。一般來說，該信息本質上是分層的，主要字段和次要字段允許對UUID 建立的標識進行細分。當手機或網關接收iBeacon 信號時，除自身所帶的信息外，還帶有RSSI（Received Signal Strength Indication，信號強度）信息，在作為定位應用時，通常采用RSSI 值的大小來確定兩個設備距離的遠近。

iBeacon發射器的優點有：價格便宜，30～70元左右；設備小巧（直徑5CM 左右）；內置電池，不需外接電源或網線；安裝方便，用自粘膠或一枚小螺絲即可安裝。

2.3 系統硬件架構設計

本系統要求在每一個教室安裝iBeacon 發射器，發射器的最佳安裝位置是教室天花板的中央，這樣不僅減少了發射器與手機之間的障礙，并且減少了距離。iBeacon 信號的穿透性不強，任何物理阻礙物包括人體都會阻礙iBeacon 的信號的傳播，隔墻衰減嚴重。這個“弱點”反而成為本系統的優勢，手機可以根據RSSI 的差異較容易識別本教室的iBeacon 信號。

iBeacon 發射器安裝之后，還需要對其進行設置：

（1）修改Major、Minor 字段，這兩個字段是可以自定義的，我們將Major 作為教學樓的編號、Minor 作為教室編號；

（2）綁定iBeacon 的UUID、Major、Minor 信息，使之與教室ID 關聯。系統的硬件架構如圖1所示。

iBeacon發射器按一定的時間間隔發出攜帶著標識信息的信號，學生手機根據算法選擇本教室的iBeacon；學生手機進行人臉識別，成功后將信息通過互聯網發送到服務器進行下一步處理。

3 系統軟件設計

3.1 系統使用的第三方平臺

3.1.1 微信小程序

微信小程序是一種不需要下載安裝即可使用的應用，它實現了應用“觸手可及”的夢想，用戶掃一掃或者搜一下即可打開應用。也體現了“用完即走”的理念，用戶不用關心是否安裝太多應用的問題。應用將無處不在，隨時可用，但又無需安裝卸載。對于開發者而言，微信小程序開發門檻相對較低，難度不及APP，能夠滿足簡單的基礎應用。

本系統的用戶是高校里上萬甚至幾萬的學生，使用的手機五花八門，如果采用原生APP 開發，需要同時開發至少IOS 及Android兩個版本，并且Android 手機的廠商分散,造成了Android 嚴重的碎片化，因此考慮到開發成本太重，我們放棄了這個技術路線。

微信作為一個超級APP，幾乎已成為智能手機的標配，本系統采用微信小程序作為學生端的入口，只需開發維護一個版本，所有安裝了微信的手機都可使用。

3.1.2 Face++

Face++是北京曠視科技有限公司旗下的視覺服務平臺，Face++平臺通過提供云端API、離線SDK、以及面向用戶的自主研發產品形式，將人臉識別技術廣泛應用到互聯網及移動應用場景中。Face++同時提供云端REST API 以及本地API（涵蓋Android,iOS,Linux,Windows,Mac OS），并且提供定制化及企業級視覺服務。通過Face++，可以搭建云端身份認證，用戶興趣挖掘，移動體感交互，社交娛樂分享等多類型應用。

Face++技術服務的形式分三類：人臉檢測、人臉分析、人臉識別。使用Face++ Compare API 能夠將兩個人臉進行比對，來判斷是否為同一個人，返回比對結果置信度和不同誤識率下的閾值。支持傳入圖片或 face_token 進行比對。使用圖片時會自動選取圖片中檢測到人臉尺寸最大的一個人臉。

3.2 簽到流程

簽到流程如圖2所示。

（1）微信小程序登錄。學生通過掃描二維碼或搜索小程序后，打開考勤小程序進行登錄。小程序可以通過微信官方提供的登錄能力方便地獲取微信提供的用戶身份標識，快速建立小程序內的用戶體系。微信小程序有一套完善的登錄流程,涉及三端：微信小程序、開發者服務器、微信服務器。用戶觸發登錄操作后，三端通過一系列的信息交互后，考勤小程序會獲得一個openid，openid 用來標識當前這個唯一的微信用戶，也就是說，一個微信用戶相對于一個公眾號（主體）的openid 是唯一的，是不會變的。

（2）綁定用戶。openid 是一串亂序的字符，需要與校務信息系統的用戶進行綁定，以便識別正在訪問的微信用戶是哪個學生。上一步驟獲取到openid后，發送到校務系統服務器（開發者服務器），如果該用戶未綁定，則跳轉到校務系統登錄界面，學生需輸入校務系統的用戶名、密碼進行關聯操作。

（3）獲取用戶信息。已綁定的用戶，教務系統根據openid 返回學生信息。用戶即可以使用考勤小程序的所有功能，如查看課程表、查看考勤記錄、簽到、請假等。

（4）學生簽到。如果教師端在這節課發起了簽到活動，學生可點擊“簽到”按鈕，開啟后續的簽到流程。

（5）自動選擇iBeacon。學生的手機需要開啟藍牙，小程序有一系列iBeacon 相關的API。考勤小程序調用wx.startBeaconDiscovery() 搜索附近的iBeacon 設備，注冊wx.onBeaconUpdate()的監聽，回調函數提供了IbeaconInfo 數組。IbeaconInfo 對象包含了uuid（iBeacon 設備廣播的uuid）、major（主id）、minor（次id）、accuracy（iBeacon 設備的距離）、rssi（表示設備的信號強度）等屬性。考勤小程序在iBeacon 列表中選擇信號最強的設備，獲取它的IbeaconInfo 對象。

（6）獲取教室ID。小程序發送IbeaconInfo 對象里的major、minor 字段到服務器，服務器根據之前登記的iBeacon 信息，返回對應的教室信息。

（7）手動選擇教室。由于iBeacon 信號穿透性不強，大多數情況下，本教室的iBeacon 信號遠強于列表中的其他設備，但也可能出現一些極端的情況，例如本教室的iBeacon 設備安裝地不夠理想，在一些邊角處障礙物太多，以致相鄰教室的信號反而更通暢。當系統檢測到多個信號、并且最強的兩個信號差值不到10%時，允許用戶手動選擇信號列表中的對應教室。

（8）人臉識別。人臉識別使用曠視的人工智能開放平臺的API。曠視科技官網提供了各種語言的API 接入工具如Java、Python、OC、C++、JS、PHP，接入工具僅僅是對API 調用進行封裝，并不包括任何圖像識別或者其他AI 能力。人臉識別能力包括“人臉檢測”、“人臉對比”、“人臉搜索”，我們需要用到的是“人臉對比”能力，即計算兩張臉的相似程度，并給出相似度評分，以便分析屬于一個人的可能性。

學生需要事先上傳自己的照片，Face++從照片中提取人臉特征，人臉特征上傳到服務器后，形成FaceSet（人臉集合），FaceSet 是用來存放face_token 的數據結構。將人臉存入FaceSet 可以進行人臉搜索操作，在指定的人臉集合中尋找與指定人臉可以判斷為同一人的人臉。我們需要用到的有FaceSet 系列API、Compare API。

Compare API 的返回結果，最重要的兩個字段是confidence 和thresholds。confidence 是比對結果置信度，范圍為[0,100]，小數點后3 位有效數字，數字越大表示兩個人臉越可能是同一個人。Thresholds 是一組用于參考的置信度閾值，包含三個字段。每個字段的值為一個[0,100]的浮點數，小數點后3 位有效數字。

如果傳入圖片但圖片中未檢測到人臉，則無法進行比對，本字段不返回。比對后的返回信息有我們設置的閾值(thresholds)，可以根據自身的需求選擇其中一個閾值，當相似度（confidence）高于這個閾值時就可以認為是同一個人。閾值的字段是thresholds，跟業務場景嚴格等級相關，業務場景等級越嚴格閾值選用越高，返之越低。

考勤小程序開啟攝像頭，拍攝學生臉部照片，如果識別成功，則進入下一步，否則結束考勤流程。

（9）考勤信息入庫。iBeacon 認證可以確保手機在場、人臉認證可以確保學生本人在使用手機，經過了雙重認證之后，我們可以認為該考勤行為是可信的，此時考勤小程序將信息發送到服務器并入庫。

3.3 功能模塊

（1）iBeacon 管理。管理iBeacon 設備的信息，如UUID、Major、Minor,以及關聯的教室ID 等；負責將考勤小程序發送的UUID 列表映射為教室名稱列表；iBeacon 電池耗盡或有故障時，通過此模塊進行報廢處理。

（2）教室管理。維護教室信息如地點、座位數量、設備等；對外提供教室查詢服務，如查詢某時間段是否有課程；根據教師的上課需求（時段、人數、機房、多媒體設備等條件）查詢是否符合上課條件。

（3）學生管理。管理學生的基本信息如姓名、學號、性別、聯系方式等。

（4）班級管理。管理班級信息，維護學生的入學、轉班級、轉學、退學等操作。

（5）教師管理。管理教師的檔案信息。

（6）課程管理。管理各學期的課程，關聯班級、教師信息。

（7）考勤管理。管理考勤報表、學生請假、教師批假；如有未帶手機或手機不能正常使用的學生，允許教師手動添加考勤信息。

4 結論

本文提出的基于iBeacon 及人臉識別的雙重認證高校智慧教室考勤系統，有以下創新點：

（1）雙重認證，防止考勤作弊。考勤系統最重要的是數據準確，如前文所述，目前市面上的很多考勤系統，或不能實現地點真實，或不能防止他人代簽到。

（2）設備成本低。與其他解決方案的需要使用的打卡機、AP比較，本方案需要安裝的iBeacon 設備價格有較大的優勢，尤其對于資金不充裕的學校有非常大的吸引力。

（3）實施簡單。iBeacon 設備無需外置電源、無需網線，施工難度極低，且維護簡單。

（4）通用性好。使用微信小程序作為客戶端，學生不需單獨下載APP，同時也降低了開發和維護軟件系統的成本。