电子班牌管理系统的需求分析与设计

2021-03-13王小红彭腾

现代信息科技 2021年15期

王小红彭腾

摘要：随着“互联网+教育技术”的不断发展，各大高校都在积极推动智慧校园建设。作为智慧校园建设对象之一，电子班牌的研究逐渐兴起，呈现出取代传统班牌的趋势。文章基于高校智慧校园总体要求对高校电子班牌管理系统进行分析与设计，包括软件和硬件的需求分析、消息管理、设备管理、考勤管理、图像采集算法、屏显硬件、数据库等设计。实践表明，电子班牌管理系统能满足学工管理、教务管理、考场管理等要求，预留的接口能与第三方软件集成。

关键词：电子班牌;班牌管理系统;设备识别;智慧校园

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0029-04

Abstract： With the continuous development of “Internet + Educational Technology”， major schools are actively promoting the construction of smart campuses. As one of the objects of smart campus construction， research on electronic class cards has gradually emerged， showing a trend to replace traditional class cards. The paper analyzes and designs the university electronic class card management system based on the overall requirements of the university’s smart campus， including software and hardware requirements analysis， message management， equipment management， attendance management， image acquisition algorithms， screen display hardware， and database designs. Practice has shown that the electronic class card management system can meet the requirements of student work management， educational administration management， and examination room management， and the reserved interface can be integrated with third-party software.

Keywords： electronic class card; class card management system; equipment identification; smart campus

0 引言

2017年教育部在本年度工作重點中明确提出引导各类各级院校建设数字校园、智慧校园。随着国内对智慧校园认识的不断深入，IT技术的快速发展，特别是人工智能技术的普及，各类学校正在积极推动智慧校园的建设。作为班级的象征物品，电子班牌开始作为智慧校园建设中的一个重要内容出现在人们的视野中。目前，虽然已有很多机构和学者对电子班牌的作用和功能进行了研究，并开发出电子班牌管理系统，但是这些系统多数是为中小学教育行业量身打造的，功能以出勤管理和班级信息展示为主。基于满足高校智慧校园建设总体要求下的电子班牌管理系统并不多见。

1 班牌管理系统需求分析

1.1 软件管理需求

班牌管理系统软件部分包括前端屏显客户端和管理后台子系统，其中后台用来向前端设备提供管理数据。由于班牌功能和应用直接影响着后台数据类型及管理方式，因此它是非常重要的研究对象之一。2018年由马宗兵、王晶晶发表在《中国教育信息化》上的《电子班牌的发展演变及教育应用》一文中指出，数字化班牌功能历经电子班牌、智慧班牌、云班牌三个阶段，其功能都是在前一个阶段基础上发展起来的。作者认为云班牌的功能主要集中在班级标识信息、公共信息显示、学生工作信息、班级文化建设、德育安全建设、走班教学工作、综合管理等。后台系统需要管理课堂教学、学生管理工作方面的需求。与此同时，高校每年需要承担校内、校外各种考试职责。考务方面的相关数据需要进行管理。智慧校园“可感知、可诊断、可分析、可自愈”总体要求下的班牌管理系统后台不仅需要与终端实时传送数据，还需要从不同维度分析数据间的关联性，展示数据，提供可调用的接口供第三方使用。综合以上分析，管理后台子系统应具有班级信息管理、教学信息管理、学工信息管理、公共信息管理、考务信息管理、设备管理、消息管理、综合分析等功能。班牌管理系统功能模块如图1所示。

综合分析：综合考勤信息、教学信息，从出勤率、教学满意度、调课率三个维度向教务管理人员、学工管理人员提供饼状统计图、趋势图。

设备管理：管理前端屏显设备，包括设备连接、设备检测、显示设备信息，如设备编号、设备位置、设备状态、所属班级。

班级信息管理：用来记录、管理班级名称、班主任姓名、电话号码、班级位置、人数等内容。班级信息支持导入。

教学信息管理：用来记录、管理班级教学方面的信息。具体功能包括课表管理、教师考勤管理、调课管理、教学质量评价，其中课表管理支持手工输入和导入两种方式。

学工信息管理：用来记录、管理班级事务方面的信息，如各班应到人数、实到人数、未到人数、未到人员等信息。

考务信息管理：记录、管理班级充当考场角色的有关信息，如考试类目、考场号、准考证起止号、考试时间等。考务信息支持导入。

公共信息管理：记录、管理天气情况、温度、宣传标语等信息。

用户管理：记录、管理用户信息，包括编号、姓名、管理级别、部门等信息。

权限管理：记录、管理用户权限信息，包括管理级别的设置、管理人员权限分配等功能。

消息管理：消息发送、显示、查询已发送消息及各反馈信息。其中消息发送包括群发和私发两种发送模式。

接口设置：提供学生出勤、课程表、考试等信息的读取接口供第三方系统调用。支持管理人员在后台配置短信群发、登录验证等接口调用地址。

1.2 前端硬件需求分析

电子班牌管理系统前端设备指的是屏显硬件，其主要作用是分块显示班级信息、教学信息、教务信息、学工信息、公共信息，并在接收到消息后进行反馈，其具体功能分为显示信息、消息反馈、接收信息、时间校对。其中，消息反馈功能是指当前端首次连接和接收后台发送的信息时，前端设备向后台反馈信息。显示信息功能会根据信息的优先级和时间显示信息。时间校对功能需要设备定期连接后台校对时间。

2 电子班牌管理系统设计

2.1 消息管理和设备管理模块设计

消息管理、设备管理是班牌管理系统的重要功能。其中，在后台中，消息发送功能需要前端屏显与后台设备联动，整个流程包括选择消息、传输消息、显示反馈信息。流程如图2所示。

后台编辑消息、勾选需要接收消息的设备后，系统采用TCP创建传输连接，调用Send函数向各个设备传送消息。当前端设备成功接收信息时，系统会侦听到指定端口传回的消息，后台记录传送结果。如果经过3次重发，系统仍未侦听到消息。后台记录传送失败，显示传送失败消息列表。

设备识别是重要的功能，它是设备管理主要的数据来源和操作入口。设备识别流程如图3所示。

在图3中，前端屏显设备初始化流程主要有网络设置和服务器绑定，包括本地IP、子网掩码、服务器IP、端口、服务令牌等数据的设置。后台设备自动识别使用实时端口扫描方式来甄别新增设备。后台读取数据库获得已备案设备的IP和MAC，侦听服务器端口所获信息保存至临时文件后，根据设备IP和MAC与临时文件信息进行对比。如果存在新增未备案设备，读取该设备的IP和MAC，生成新增列表，弹出通知窗口。

2.2 注册、考勤管理模块设计

注册模块采用调用第三方接口算法来提供人脸图像采集功能。点击注册模块，摄像头会自动捕捉人脸。模块调用OpenGL（）函数对图像进行特征提取。如果提取成功，图像会存储到本地;否则会再次启动摄像头进行图像采集。之后，调用Upload（）函数完成图像批量上传。

考勤管理模块采用人脸识别技术比对图像库中的照片。图像库分为本地图像库和远程图像库。本地图像库是指存储在前端设备的图像集。远程库在上传至服务器上的图像集合。一般情况下，摄像头捕捉到的人脸图像后，系统调用OpenGL （）函数提取特征，并与该设备所存储的图像进行比对。

图4（a）是图像采集算法，（b）是人脸识别算法。算法中的特征提取和比对功能均采用第三方提供的API。核验结果以Json格式返回。

2.3 前端屏显设计

电子班牌前端屏显设备基于S3C2440微处理器主控板负责控制Wi-Fi双频模块、存储模块、USB3.0模块、液晶屏模块、蓝牙模块、摄像头、RJ-45等网络接口的数据传输。设备整体采用POE供电方式，通过插入网线实现在传输数据的同时提供电力。硬件结构示意图如图5所示。

2.4 数据库设计

本系统使用SQL Server2008数据库。库中包含部门、人员、考试、资讯、设备、消息、打卡、教务、考勤等主要实体，其关系模型为：

部门（编号，名称）

班级（班号，班级名称，辅导员姓名，人数）

人员（编号，身份证号，姓名，部门，班级，身份，照片）

考试（考场号，身份证号，应考人数，开考时间，考试科目）