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1、高校教学秩序智能管理系统项目方案设计说明书高校教学秩序智能管理系统详细设计说明书1一、引言21.1 编写目的21.2 项目背景21.3 缩写词21.4 定义21.5 参考资料2二、任务概述32. 1 目标32.2用户范围3三、需求分析33. 1执行者33.2系统架构41.1.1 1系统功能包图41.1.2 软件架构51.1.3 系统部署图61.1.4 硬件系统架构73. 3课堂点名与手机管理93. 3. 1 功能93. 3. 2实时点名工作流程93. 3.3限制条件103. 3.4 Wi-Fi精确定位算法101.4 定位管理111.4.1 1 功能111.4.2 实时定位模块的工作流程121.
2、4.3 3实现方法121.4.4 Wi-Fi粗定位原理131.4.5 限制条件错误!未定义书签。1.5 宿舍查寝错误!未定义书签。3. 5. 1 功能134. 5.2实时查寝工作流程141.6 信息查询查块错误!未定义书签。3.6. 1 功能141.7 系统维护141.8 数据库设计153. 3. 3限制条件1、上课期间学生不能将手机故意关机，手机处于开机状态;2、学生手机都携带含有WLAN功能；3、手机内需安装本系统的学生客户端软件。4. 3. 4 Wi-Fi精确定位算法为提高定位精度，在教学楼内应合理安装多个通信/定位AP站点。Wi-Fi信号容易受到其他信号如手机信号、蓝牙信号等的干扰，又
3、存在反射、折射、衍 射、多路等现象，定位精度常常不稳定。不同楼层或者不同房间在空间上邻近的位置往往具 有相似的信号指纹，定位系统不能正确地区别，从而导致将用户定位在错误的房间或者楼 层。而实际上，用户在室内走动时，其位置是连续的，不可能从一个房间跳跃到另一个房间, 也不可能从一个楼层跳跃到另一个楼层，用户走动的轨迹必须符合空内结构和布局。为提高定位精度，需要结合教学楼布局情况，综合采用多种定位算法。Wi-Fi信号指纹是在某个位置从多个802.11无线接入点接收到的信号强度，如果用SS 表示信号强度，AP表示无线接入点的标识(通常用MAC地址表示)，表示无线接入点的个 数，信号指纹SF表示为：S
4、F=(APi , SSi), (AP2, SS2)，(APn, SSn)1）最近邻居算法实际进行定位时，用户移动设备上的802.11无线适配器实时采集当前未知位置的信号 指纹，定位算法将该信号指纹与采样数据库中的信号指纹进行比较，最接近的信号指纹所在 的采样点被认为是用户的当前位置，该算法称作最近邻居算法2）基于历史的算法采用信号指纹确定用户位置很容易受到干扰因素的影响，因此我们使用多个时间上连续 的信号指纹进行定位，以削弱信号波动的影响。对于每一个信号指纹，系统根据欧儿里德最 近邻居算法找到在该信号指纹的情况下用户最有可能所在的K个位置（称为K个最近邻居）和最近邻居算法相比，基于历史的算法增
5、加了计算历史序列最短路径的时间。由于历史 深度”和最近邻居个数K都是很小的整数，这个时间可以忽略不计，因此基于历史的算法 几乎没有增加计算复杂度。该算法使用若干个时间上连续的信号指纹进行定位，有效地增强 了定位的稳定性，并在一定程度上提高了定位精度。3）多楼层处理算法在多楼层的情况下，基于历史的Wi-Fi指纹定位算法返回的路径为：PATH = （xi，y” floori）, （X2，y2，floor?）， （xIV yn. floorn）式中，/为路径长度。分析实验中获得的该路径，常会发现存在i和人 使fl。不等于floorjo由于用户不 可能在楼层中跳跃，只能通过电梯或者楼梯到达另一楼层，因
6、此，该情况应该予以排除。多 楼层处理算法首先找到该路径中发生次数最多的楼层，然后将该路径中楼层号不同的位置删 除，剩下的位置组成新的路径，该路径的终点被认为是用户的最终位置。5. 4定位管理6. 4.1功能本模块实现学生的定位，用于确定学生是在校园内还是在校园外。如果在校园内，则进 一步可确定是在教学楼、宿舍还是其它地方。本模块由两个用例构成，登录用例用于身份验证，只有经授权的用户（如班主任、宿舍 管理员）才能使用本功能；实时定位用例用于学生位置的粗定位。访问本模块既可以通过手机客户端软件，也可以通过浏览器。如果通过客户端软件，则 定位结果将通过无线网返回给手机客户端。否则，通过网页返回。手机
7、客户端用户（from执行者）浏览器用户（from执行者）实时定位3. 4. 2实时定位模块的工作流程由手机客户端用户或浏览器用户输入要定位的学生号，并向系统发出定位请求。服务器 接到定位请求后，通过访问学生身份数据库获取学生的Wi-Fi ID号，然后通过无线网向AP 广播定位请求。AP获得学生Wi-Fi信号后将其强度值返回系统，系统根据返回的结果计算 出学生位置，并将位置信息返回给用户。如果是手机客户端用户，位置信息通过无线网返回， 如果是浏览器用户，则系统将生成Web将信息返回。3. 4. 3实现方法无线基础网络建设：局域无线网络覆盖范围小，且不需要与因特网联通，所以其建设 比较简单。由多个
8、个无线AP就可以构建。搭建局域网即可实现。在智能点名完成情况下，后台服务器将未到的学生信息表及激活指令给室外的AP基站, AP基站发送指令将室外的学生的WLAN功能激活，如果学生在室外的话，学生就能够发现 室外的Wi-Fi信号，反馈信号强度，再根据差分算法及三点定位的方式即可定位学生，同时 服务器端发送一条提醒信息到学生移动终端。3. 4. 4 Wi-Fi粗定位原理采用三点定位的方式，即通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号交流来鉴别移 动设备所处的位置，由于移动设备距离三个无线接入点的距离不同，因此反映在无线接入点 上的该移动设备的无线信号场强会有差异，通过差分算法，可以比较精准地确定位
9、置。对无线网络的要求：通常Wi-Fi定位会对无线网络提出较高的要求，当网络接入点布置 越密集，定位的精确度就越高。3. 4. 4限制条件1、局域网的覆盖范围在校园内，所以学生若不在校园内就无法定位该学生的位置2、学生手机都携带含有WLAN功能；3、学生手机关机后就无法定位到该学生3. 5宿舍查寝3. 5.1功能查询学生是否按时返回。本模块由两个用例构成，登录用例用于身份验证，只有经授权的用户(宿舍管理员)才 能使用本功能；实时查寝用例用于确定学生是否回到寝室。本模块既可以系统自动执行，也可通过手机客户端软件或是浏览器访问。如果通过客户端软件，则查寝结果将通过无线网返回给手机客户端。否大宿舍管理
10、员：浏/览器 一(from执宿舍管理员：手.机弓(from执则，通过网页返回。登录实时查寝3. 5. 2实时查寝工作流程本模块借助学校的宿舍门禁系统进行学生查寝，服务器从该门禁系统数据库中获取学生3. 6信息查询模块3. 6.1功能本模块用于学生的出勤、就寝信息查询。可以查询某天某位学生相关信息，也可以查询 统计信息，如一段时期的某生的出勤、就寝情况。按日期查询出勤/登录(from查寝)出勤查询浏览器用户(from执按学号查询出勤手机客户端用户(from 执.，,4一就寝查询按日期查询就寝extend按学号查询就寝3.7系统维护（from查寝）系统管理员(from执本模块用于维护系统数据库。需
11、要维护的数据库包括学生身份数据库、就寝数据库数据 库、出勤数据库和系统用户数据库。7学生身份数据库维护出勤数据库维护就寝数据库维护系统用户维护3. 8数据库设计系统需要用到课表数据库、门禁数据库、学生身份数据库、出勤数据库、就寝数据库、用户 数据库共6个为个数据库，其中，学生身份数据库、出勤数据库、就寝数据库、用户数据库 需要本系统维护，其各字段定义如下：学生身份数据库：班级、学号、Wi-FiJD出勤数据库：班级、学号、点到日期、点到课次、迟到、旷课就寝数据库：班级、学号、点到日期、到寝时间、晚归、未归用户数据库：用户号、用户名、用户类型一、引言1.1 编写目的此系统需求规格说明书用于对项目背
12、景、用户范围和需求等信息进行说明，包括功能性需 求和非功能性需求，确保对用户需求的一致性。1.2 项目背景高校学生旷课、迟到、早退、晚归、不归现象时有发生，传统上的点名、查寝方式花费 了大量的时间、效率低，最重要的是占用了上课时间；其次，3G手机已经遍布中小城市， 上课手机化趋势越来越明显，学生在上课期间频繁使用手机打电话、发短信、上网聊天、看 小说、玩游戏等，各种不和谐的节奏充斥整个课堂。俗话说：我们改变生活，生活也改变了 我们。针对这些问题，利用现代先进的技术，设计一个能够实现智能化的课堂点名、课堂手机 管理、查寝、学生定位等系统，用于管理教学秩序，提高教师管理效率、减少管理时间的同 时，
13、也让学生课堂能专心听讲、减少晚归不归现象，更好地保障学生安全有着得要的意义。1. 3缩写词B/S模式即Brower/Server（浏览器/服务器结构），指在TCP/IP的支持下，以HTTP为传输协议, 客户端通过Browser访问Web服务器以及与之相连的通过Web浏览器向Web服务器发送请求，由Web服务器进行处理，并将处理结果逐级 传回客户端ASP.NETBP Active Server Pages （动态服务器页面）,运行于IIS （互联网信息服务）之中 的程序。L4定义系统的客户端安装的软件（以下简称“客户端软件”）功能：1、接收AP基站发送的激活指令，同时客户端软件作出响应，激活手机
14、WLAN功能。2、接收AP基站发送的控制指令，客户端软件发出命令，自动开启屏幕锁并控制屏幕 解锁。3、学生关机重启后，客户端软件仍然保持上一次的活动状态。4、此客户端软件只能接收AP基站发送特殊指令的控制。1. 5参考资料软件工程单向广播网络可靠文件传输协议的设计与实现Wi-Fi的定位系统设计与实现二、任务概述高校教学秩序智能管理系统的任务是通过软件来智能化地进行课堂点名、课堂手机管 理、查寝、学生定位等，以提高课堂效率，减少教师花在教学秩序管理方面的时间，同时提 高学生的课堂学习效果，让学生按时就寝，更好地保障其安全。本文档提出需求，并对需求进行分析，确定系统架构，给出系统的软件硬件实现方案
15、。2.1目标本高校教学秩序智能管理系统是基于Wi-Fi技术的软硬件系统，通过此系统可以实现课 堂的自动点名、课堂学生手机锁屏、学生定位、查寝等功能，实现高校秩序的优化管理，一 方面，建成一个精简、高效的课堂运作模式，另一方面，通过定位、查寝等功能，更好地掌 握学生行踪，保障其安全。22用户范围本系统的用户范围为高校学生、教师及高校管理员，管理员拥有最高的权限及较高的 技术专长。对于现在的信息时代，如果此系统发展成熟后，我们可以推广到初中、高中等学 校三、需求分析3.1执行者本系统执行者主要有三大类：手机客户端用户、浏览器用户和系统管理员。手机客户端 用户和浏览器用户都继承自Usero1)手机客
16、户端用户：是指安装有本系统客户端软件的用户，该用户可以是经授权的班主任、 宿舍管理员、任课教师等。2)浏览器用户：是指通过PC或手机中的浏览器使用本系统功能的用户，实际用户可以是 经授权的班主任、宿舍管理员等。3)系统管理员：指维护系统数据库和用户的人员。系统管理员通过浏览器对系统进行维护。手机客户端用户通过本系统的无线网络使用系统，而浏览器用户利用浏览器通过互联网 或移动互联网使用本系统。只要在校内，用户不管是使用PC还是手机，都不会产生额外的 通信流量费，从而降低系统的使用成本。3. 2系统架构3. 2.1系统功能包图高校教学秩序智能管理系统主要用于实现课堂点名与手机管理、查寝和学生实时定
17、位, 系统由五个功能模块构成，分别为课堂点名与手机管理、查寝、学生实时定位、信息查询和 系统维护。高校教学秩序智能管理系统 系统维护彳八弋中、信息查询(1)课堂点名与手机管理：可以由系统根据课表自动点名，或由任课教师利用手机终端软 件手动点名。点名结果将保存在出勤数据库中，并通过本系统的无线网络发送到任课教师手 机。点名后，会向学生手机终端发送锁屏命令锁住学生手机，防止学生上课看手机。(2)查寝：可以由系统根据作息时间自动查寝，或是由宿舍管理员通过手机终端软件或是 PC或手机浏览器手动查寝。查寝结果将保存在就寝数据库中，并根据是否是手机终端启动 的点名，将信息发送到手机中或是生成Web由用户使
18、用浏览器查看。(3)学生实时定位：学生实时定位由班主任或其它授权用户使用，可用于确定学生是否在 校园内，如果是在校园内，可进下确认是在寝室、教学楼、图书馆还是其它地方。(4)信息查询：班主任、宿舍管理员或其他授权用户可以查询学生的考勤、就寝等信息及 其统计结果，掌握每个学生的情况。(5)系统维护：系统管理员利用此功能维护数据库和用户。3. 2. 2软件架构本系统软件采用胖客户端的C/S架构和B/S架构的混合软件架构模式。胖客户端的C/S架构：本架构用于校内使用本系统的无线Wi-Fi网通信的手机用户。使用无线Wi-Fi通信不会 产生流量费用。在本架构中，需要针对教师和学生分别开发客户端软件，并安
19、装在教师和学生的手机 中。教师手机中安装的客户端软件功能： 向服务器发出点名、查寝、学生实时定位请求； 向服务器发出考勤、就寝信息查询请求； 接收、显示来自服务器的点名、查寝、定位结果信息。学生手机客户端软件功能： 显示点名、查寝成功信息； 接收来自服务器的锁屏命令； 上课时将手机锁屏，下课后自动解锁。教师手机终端学生手机终端Client用户界面命令发送/信息接收用户界面锁屏/解锁ServerWiFi多跳自组织网络B/S架构用于浏览器用户，用户可以使用PC或手机，可以是在校内或是在校外，通过互联网或移动互联网访问本系统。除了具备胖客户端的所有功能外，本架构还提供系统维护功能。ClientPC/
20、手机浏览器3. 2. 3系统部署图1）系统服务器用于实现本系统的业务逻辑,包括学生实时定位进程、课堂点名与手机管理进程、查寝进程、信息服务（利用IIS）进程及系统维护进程等。2） AP主站：这是购置的设备，用作校园有线网与无线网之间的路由器，实现信息转发。3）通信/定位AP：购置的设备，所有站点构成多跳自组织网络，用于信息转发和与手机Wi-Fi 通信。4）教师手机：运行本系统的教师客户端进程。5）学生手机：运行本系统的学生客户端进程。6） PC工作站：运行浏览器。3.2.4硬件系统架构通信/定门禁系统数系统数据库系统服务器据库服务器服务器高校教学秩序智能管理系统的硬件系统由校园有线网、无线通信
21、与定位网组成，并通过 路由器接入互联网和移动互联网，从而实现PC用户和手机用户都能方便的获取需要的信息。 1、校园有线网本系统的校园有线网部分由数据库服器、系统服务器、宿舍门禁系统、无线AP主站、工作站、交换机组成。宿舍门禁系统为学校原有系统，为本系统提供数据访问接口。原 有网络的通信线路可以借助原校园有线网，不需要另外投资建设。1）数据库服务器：提供数据库存取与管理服务。2）系统服务器：实现本系统的业务逻辑，主要包括：学生定位：与无线定位AP通信，获取指定学生的手机WiFi信号，并计算出学生的 位置。学生位置信息根据需要，可以通过无线网络发送给授权用户，或是用户通过 浏览器查询获取。课堂点名
22、与手机管理：基于学生位置信息，根据课表实现课堂自动点名，并将点名 结果（包括到课人数、未到课人数及未到学生名单）通过无线网络发送到任课教师 的手机。查寝：从宿舍门禁系统数据库中获取学生的入住信息，对于未归学生可以通过学生 定位功能，确定是在校内还是校外。查寝结果通过无线网络发送给宿舍管理员。WEB服务：授权用户、可以通过互联网或移动互联网查询、打印学生的出勤、就 寝信息，包括其统计信息。数据维护：用户通过浏览器，可以维护数据库中的学生信息库、教师信息库、考勤 信息库、查寝信息库等无线AP主站：用作校园网与无线网的路由器，转发系统服务器号无线通信/定位 AP站点、学生与教师手机之间的命令与信息。
23、无线通信AP主站应至少为2台，以便提供容错功能。根据用户规模，可适当 增加。宿舍门禁系统：宿舍门禁系统为学校原有系统，但提供给本系统数据库访问接口， 以获取学生入寝信息。2、无线通信与定位网无线通信与定位网用于实现无线通信和获取学生手机Wi-Fi信号强度功能，由无线AP 主站、无线通信/定位AP站点、学生/老师手机组成。无线通信与定位网采用Wi-Fi通信，是一个多跳自组织网。考虑到不同场所、不同应用目的定位精度的不同要求，具体部署无线通信/定位AP时 可以采用不同密度，以降低系统成本。如在教学楼主要是用于课常点名，应部署多一些站点, 而在校园和寝室里，定位精度不需要很高，可以少一些站点，具体数
24、量应在取得实验数据， 结合定位算法性能的基础上优化确定。1）无线AP主站用作校园网与无线网的路由器，转发系统服务器号无线通信/定位AP站点、学生与教 师手机之间的命令与信息。2）无线通信/定位AP：既用于通信，又用于获取目标手机Wi-Fi信号强度用于定位。3）学生手机：学生手机通过Wi-Fi与无线通信/定位AP通信，在学生手机中需要安装 本系统的终端软件。终端软件接收来自系统服务器的指令，并对学生手机进行锁屏/开屏。4）教师手机：教师手机通过WiFi与无线通信/定位AP通信，在教师手机中需要安装 本系统的终端软件。终端软件用于接收、显示系统服务器发来的点名、就寝情况信息。授权 教师（如班主任、
25、宿舍管理中）还可以通过终端软件向系统服务器提出学生定位请求及获取 定位信息。3.3课堂点名与手机管理3. 3.1功能本模块用于实现课堂的智能点名与手机管理。系统可以根据课表自动启动点名任务，也 可以由任课教师或班主任根据需要手动触发。如果系统已经完成点名，任课教师或班主任也 可以根据需要查询本课的出勤情况。任课教师手动触发手动触发本堂课出勤查询(from Use Case View)班主任：手机(from Use Case View)3. 3. 2实时点名工作流程下面用系统自动点名的活动图来说明实时点名模块的工作流程。系统服务器通过课表数据库得到要点名的班级，后根据学生身份数据库得到待点名班级 的学生Wi-Fi ID号。系统通过无线网向特定教室相关的AP发出搜索学生Wi-Fi信号，并返 回其强度信息。根据返回的强度信息计算出学生的位置，从而确定其是否在指定教室内。如果学生到课, 则发送锁屏指令给学生手机中的客户端软件，实现手机锁屏，防止学生上课时玩手机。一个班级点完后通过无线网向任务教师手机客户端软件发送点名结果。任课教师获得点 名结果后，对于未到的学生可再次点名确认，从而大大增加点名的实效性，减少点名的时间。