基于分布式架構的院校綜合考勤管理系統
「針對高等院�？记诘攸c相對分散、考勤時間集中等特點，提出了一種基于分布式三層架構的智能考勤設計方案。該方案利用TCP/IP網絡構建考勤終端、控制主機、服務器的通信鏈路，通過運行智能考勤軟件實現從考勤身份的感應、識別，考勤數據的分析、匯總及統計等全流程的自動管理。實際試用表明，該系統解決了地點分散、考勤集中及考勤定位等問題，方便了院校的綜合考勤，提高了管理效率，為“智能校園”建設提供可借鑒的設計思路。(2023-2-25)」
關鍵詞：分布式;TCP/IP;考勤;管理系統
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2020）25-00107-04
Abstract： Introduction of a new design method of intelligence attendance management system. The system is based on three-layer distributed architecture to meet the actual application needs of school attendance management， whose difficulty is characterized by student concentrated attendance time， scattered student attendance locations， and teacher offices. In this scheme， TCP/IP network is used to build communication links among attendance terminals， control hosts and servers， and intelligent attendance software is used to realize automatic management of the whole process from induction and identification of attendance identity， analysis to summary and statistics of attendance data. The application shows that this system helps to solve the above-mentioned problems by facilitating the comprehensive attendance of colleges， improve management efficiency， and provide a reference design idea of the “intelligent campus”.
Key words： distributed; TCP/IP; attendance; management-system
1 背景
目前大部分高等院校沿用的人工統計考勤方式，其效率低、數據反饋滯后等弊端顯而易見[1]，成為規范化管理急需突破的難題;而已采用智能考勤方式的部分院校，因為辦公地點無法集中，各二級部門自行購買，而購買的考勤系統由于需求各異、品牌不一帶來接入方式不統一、考勤軟件無法整合等問題，因此，由于建設初期缺乏統籌協調導致的冗余性、擴展性問題使得無法定制組建覆蓋院校所有部門的考勤系統;同時針對如何解決學生考勤時間集中、考勤地點定位的難題，出現了使用手機定位、攝像頭刷臉的新技術[2-5]，但由于較大上傳流量而無法推廣使用，至今也沒有一個相對成熟的應用方案[6-7]。另一方面，隨著“智慧校園”建設的加快推進，科學管理、信息集成、流程優化的考勤系統在高校的需求應用已迫在眉睫，研究并建立校園人員類別、考勤時段全覆蓋的智能綜合考勤管理系統勢在必行。
本設計針對院校綜合考勤管理的實際應用需要，提出一種基于分布式三層架構的智能考勤方案。該設計方案首先根據院校建筑分布特點，并基于院校已有的網絡設備及架設的TCP/IP網絡，規劃系統的基本架構，再對院校管理者、教師、學生等各類角色的考勤需求進行調研，分析整理系統軟件開發的功能任務[8-9];具體設計均運用模塊化思想，充分考慮數據接口、功能擴充等，實現系統易加入、易組態的靈活便利。本系統設計針對性、適用性、實用性強，將有效完善高等院校智能化綜合考勤管理，并為建設“數字校園”提供一種行之有效的參考。
2 系統架構設計
基于分布式智能綜合考勤系統設計由三層架構組成，如圖1所示，分別為服務器層（一般位于學校網絡中心）、控制主機層（每棟建筑的管理機房）、考勤終端層（每間房屋），同時鑒于目前院校TCP/IP網絡已基本覆蓋[10-11]，本方案各層之間均采用TCP/IP方式構建通信鏈路。其工作流程描述為：開學前將學生、教師、課程表及身份認證等基礎數據導入服務器層，服務器根據基礎數據關聯性自動生成每棟建筑一個學期的上課數據及對應身份認證數據，并分發至控制主機層中，控制主機提前生成每間房屋的考勤表下發到考勤終端層，與每間房屋地址綁定的嵌入式考勤機保存身份認證數據并等待考勤，正�？记跁r，考勤終端主要實現考勤數據的采集、識別、存儲、上傳，控制主機負責一棟建筑所有考勤終端數據的收集，并實時匯總統計、顯示每間房屋考勤的基本信息及出勤情況;服務器一方面與控制主機通信，進行數據的集中管理、存儲，另一方面通過Web發布，提供遠程瀏覽及GSM短信預警功能[12-14]，實現考勤管理的智能處理過程。主要業務流程如表1所示。
2.1 考勤終端層
本層主要設計是放置在每間房屋的嵌入式考勤機，通過MAC地址綁定及高速指紋識別有效解決考勤定位、考勤時間集中的難題。嵌入式考勤機采用32位ARM處理器LPC2214為核心，按功能分為聲光指示、存儲、指紋感應、網絡傳輸等模塊，如圖2所示。表2為LPC2214處理器資源使用情況，滿足系統設計及功能擴展需求。嵌入式考勤機提前接收從控制主機下發的考勤數據，存放于存儲器模塊;在有效考勤期間，指紋模塊感應考勤信息，通過指紋感應模塊預處理后傳輸至處理器，處理器收到考勤數據后調用存儲器中正確的指紋數據進行比對，判斷其合法性，驅動聲光指示及液晶顯示，并將考勤狀態上傳至控制主機中。當終端和控制主機數據鏈路傳輸錯誤，終端128M 閃存容量可單機存儲7天考勤數據，同時設計定時“握手”信號確保在網絡恢復下的信息同步機制及數據斷點續傳。 本設計采用指紋識別作為身份鑒定，其作為生物識別技術中最為關注和成熟的一種，具有隨身性，與人體唯一綁定，防偽性好，具有傳統身份鑒定手段無法比擬的優勢[15-17]。模塊選型采用瑞典FingerPrints
公司推出的電容式面裝指紋傳感器FPC1011F，其具有高分辨率、高速、高耐磨等特點。整機實測結果為：50人次考勤人均<1S的感應識別通過速度。
2.2 控制主機層
院校教學、實訓、行政、后勤等各部門樓宇安裝控制主機，分布式對不同類別人群進行分類考勤信息匯總�？刂浦鳈C運行Visual C#開發的應用程序，主要為考勤信息記錄及處理、考勤信息看板展示兩大功能，如圖3所示。
每天將當天課程、學生、教師等信息提取出來，放入相應臨時表，課前及上班前下發至每臺嵌入式考勤機;實時接收考勤終機上傳的身份數據及考勤時間，自動匹配信息，生成“正�！薄斑t到”“曠課”數據并保存;實時將“遲到”“曠課”上傳至服務器層，并將各臨時表的考勤數據等刪除;當對應數據傳輸不成功，通過啟動多次定時重傳，并提供人工控制傳輸方式。
另一方面，通過在每棟建筑大廳的大屏幕LED進行考勤信息的展示，包括房間號、課程、班級、出勤率、教師出勤狀態等信息。
2.3 服務器層
服務器架設在學校網絡中心，運行Java開發的考勤管理系統，與各樓宇控制主機進行命令與數據傳輸，實現覆蓋院校所有樓宇、全部人群的考勤數據自動處理管理，最大日處理考勤數據為100萬人次、2TB，可滿足10萬規模人數每天8次考勤需求。其主要功能包括基礎數據管理、數據下發、考勤信息查詢與統計、考勤預警、調停課處理、考勤人工調整及系統與用戶管理等，如圖4所示。
基礎數據管理子模塊是為滿足考勤需要，系統將課程基礎數據（課程名稱、授課時間段、地點、教師、班級）、學生基礎數據（學號、姓名、班級、身份數據）、教師基礎數據（教工號、姓名、學院、身份數據）、班級數據（班級名、年級、專業、學院、班主任）等導入。
數據下發子模塊在學期初前，首先發出清理數據指令，清空各控制主機數據;再將生成的各建筑物考勤數據寫入控制主機數據庫中。
考勤信息查詢與統計子模塊便于各類人員通過網絡（Web）查詢、統計某段時間內的考勤信息，如某個學生的出勤情況、某個班級的出勤情況、某門課程的出勤情況、違規次數多于N次的人員情況等。
考勤預警子模塊指可設置預警條件，當違規情況達到預警條件，通過GSM方式發送預警短信至預定手機號碼上（違規者本人、輔導員、班主任、家長等）。
考勤數據人工修正子模塊指根據學生請假、休學、課程調整等情況，管理員可人工增加、修改、刪改考勤數據，其中對于休學、請假情況，考慮“事后”定期集中處理。
系統與用戶管理子模塊包括根據業務需要及管理級別，設置相應權限，不同權限的用戶可以處理、查詢、修改業務內容;也包括設置控制參數，如設置考勤時間、遲到及曠課時間點等。
假期調停課處理子模塊實現節假日集中調、停課功能，由學校教務部門或二級學院教務員按規定統一調整。
3 數據庫設計
為方便控制主機層及服務器層的數據傳輸，將采用相同的數據庫設計，根據系統功能需求分析，選用SQL Server 2012作為后臺數據庫平臺。SQL Server 2012安全性、事務處理能力和誤差控制符合事務要求，其智能服務器技術增強了服務器上數據整體性，并具有分布式數據庫管理功能，支持多用戶高性能快速響應，充分滿足分布式多層計算模型的設計需求[18=19]。在院�？记诠芾硐到y中，其業務較為復雜，需實現的功能也很多[20-21]。因而在數據庫中用于不同功能的表也較多，概括起來可分為基本功能表和功能操作表兩大類�；竟δ鼙碇饕墙y計查詢所涉及的各類表，功能操作表主要是各個子模塊所用到的表。主要數據庫表設計說明如下表3所示。
4 結束語
基于分布式院�？记谙到y采用三層架構設計，通過合理規劃各層任務，考勤終端主要負責數據感應、識別、存儲，控制主機負責管理本棟大樓所有考勤終端數據的整理、分析，服務器收集院校所有數據并匯總、統計，三層相互配合、協調共同完成智能考勤過程，體現了部門分布式處理和院校整體數據管理需求。本系統部署兩棟實訓樓，共70間4800工位，每間日均考勤6次，經試用驗證，系統運行穩定，實時性高，實現了院�？记跀祿募�、自動處理，打破了院校各部門、各建筑考勤的數據壁壘，解決了傳統考勤方式耗時長、效率低等問題，初步實現了智能校園中重要的考勤管理模塊[22-23]，為進一步“數字校園”建設奠定了基礎。
參考文獻：
[1] 張軍， 王志輝. 基于W77E58低成本嵌入式考勤機的設計[J]. 信息技術， 2014， 38（3）： 66-67， 71.
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[3] 柯煒， 賀揚， 付鵬飛， 等. 基于WiFi限位的人臉識別考勤系統應用[J]. 集成電路應用， 2020（2）： 122-124.
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[6] 吳欽. 基于嵌入式Linux和微信的指紋考勤系統的設計[D]. 長春： 吉林大學， 2018.
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[12] 馮洋陽. 高并發考勤系統的性能優化研究與實現[J]. 電子設計工程， 2019， 27（18）： 29-32， 37.
[13] 李書欽， 馬時來， 李琳， 等. 基于校園無線的高校課堂智能考勤方法研究[J]. 計算機時代， 2018（12）： 29-31.
[14] 胡必玲， 楊諾， 黃志煒， 等. 基于RFID和WiFi的分布式校園智能考勤系統[J]. 合肥師范學院學報， 2016， 34（6）： 28-32， 67.
[15] 胡文鑫. 基于指紋識別技術的醫院人員身份識別和權限管理系統設計[D]. 寧波： 寧波大學， 2018.
[16] 馬梅， 樂偉明. 基于指紋識別技術的考勤“點到”系統設計[J]. 電子技術， 2016， 45（7）： 69-71.
[17] 周天潔. 校園指紋考勤系統的設計及實現[D]. 秦皇島： 燕山大學， 2017.
[18] 劉湘煜. 課堂考勤系統移動端的設計與實現[J]. 現代計算機， 2019（15）： 87-92.
[19] 許巧薇， 黃煒. 基于近場通訊的持續式考勤系統的設計與實施——以技工院校學生考勤為例[J]. 電腦知識與技術， 2018， 14（12）： 128-129.
[20] 唐文強， 吳君. 校園智能考勤技術與實現方法[J]. 中國新通信， 2020， 22（2）： 162.
[21] 梁曉琦， 戴永輝， 藏鴻雁. 基于雙重定位技術的智能考勤系統[J]. 計算機與現代化， 2020（1）： 58-62， 80.
[22] 吳鯤. 基于大數據的高職“智慧考勤系統”設計研究[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報， 2018， 17（6）： 39-43.
[23] 吳繁宇， 唐浩祥， 王學文， 等. 基于人臉識別的智慧教室管理系統[J]. 中國高新科技， 2019（4）： 35-37.
【通聯編輯：謝媛媛】
(JkKl)
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2020）25-00107-04
Abstract： Introduction of a new design method of intelligence attendance management system. The system is based on three-layer distributed architecture to meet the actual application needs of school attendance management， whose difficulty is characterized by student concentrated attendance time， scattered student attendance locations， and teacher offices. In this scheme， TCP/IP network is used to build communication links among attendance terminals， control hosts and servers， and intelligent attendance software is used to realize automatic management of the whole process from induction and identification of attendance identity， analysis to summary and statistics of attendance data. The application shows that this system helps to solve the above-mentioned problems by facilitating the comprehensive attendance of colleges， improve management efficiency， and provide a reference design idea of the “intelligent campus”.
Key words： distributed; TCP/IP; attendance; management-system
1 背景
目前大部分高等院校沿用的人工統計考勤方式，其效率低、數據反饋滯后等弊端顯而易見[1]，成為規范化管理急需突破的難題;而已采用智能考勤方式的部分院校，因為辦公地點無法集中，各二級部門自行購買，而購買的考勤系統由于需求各異、品牌不一帶來接入方式不統一、考勤軟件無法整合等問題，因此，由于建設初期缺乏統籌協調導致的冗余性、擴展性問題使得無法定制組建覆蓋院校所有部門的考勤系統;同時針對如何解決學生考勤時間集中、考勤地點定位的難題，出現了使用手機定位、攝像頭刷臉的新技術[2-5]，但由于較大上傳流量而無法推廣使用，至今也沒有一個相對成熟的應用方案[6-7]。另一方面，隨著“智慧校園”建設的加快推進，科學管理、信息集成、流程優化的考勤系統在高校的需求應用已迫在眉睫，研究并建立校園人員類別、考勤時段全覆蓋的智能綜合考勤管理系統勢在必行。
本設計針對院校綜合考勤管理的實際應用需要，提出一種基于分布式三層架構的智能考勤方案。該設計方案首先根據院校建筑分布特點，并基于院校已有的網絡設備及架設的TCP/IP網絡，規劃系統的基本架構，再對院校管理者、教師、學生等各類角色的考勤需求進行調研，分析整理系統軟件開發的功能任務[8-9];具體設計均運用模塊化思想，充分考慮數據接口、功能擴充等，實現系統易加入、易組態的靈活便利。本系統設計針對性、適用性、實用性強，將有效完善高等院校智能化綜合考勤管理，并為建設“數字校園”提供一種行之有效的參考。
2 系統架構設計
基于分布式智能綜合考勤系統設計由三層架構組成，如圖1所示，分別為服務器層（一般位于學校網絡中心）、控制主機層（每棟建筑的管理機房）、考勤終端層（每間房屋），同時鑒于目前院校TCP/IP網絡已基本覆蓋[10-11]，本方案各層之間均采用TCP/IP方式構建通信鏈路。其工作流程描述為：開學前將學生、教師、課程表及身份認證等基礎數據導入服務器層，服務器根據基礎數據關聯性自動生成每棟建筑一個學期的上課數據及對應身份認證數據，并分發至控制主機層中，控制主機提前生成每間房屋的考勤表下發到考勤終端層，與每間房屋地址綁定的嵌入式考勤機保存身份認證數據并等待考勤，正�？记跁r，考勤終端主要實現考勤數據的采集、識別、存儲、上傳，控制主機負責一棟建筑所有考勤終端數據的收集，并實時匯總統計、顯示每間房屋考勤的基本信息及出勤情況;服務器一方面與控制主機通信，進行數據的集中管理、存儲，另一方面通過Web發布，提供遠程瀏覽及GSM短信預警功能[12-14]，實現考勤管理的智能處理過程。主要業務流程如表1所示。
2.1 考勤終端層
本層主要設計是放置在每間房屋的嵌入式考勤機，通過MAC地址綁定及高速指紋識別有效解決考勤定位、考勤時間集中的難題。嵌入式考勤機采用32位ARM處理器LPC2214為核心，按功能分為聲光指示、存儲、指紋感應、網絡傳輸等模塊，如圖2所示。表2為LPC2214處理器資源使用情況，滿足系統設計及功能擴展需求。嵌入式考勤機提前接收從控制主機下發的考勤數據，存放于存儲器模塊;在有效考勤期間，指紋模塊感應考勤信息，通過指紋感應模塊預處理后傳輸至處理器，處理器收到考勤數據后調用存儲器中正確的指紋數據進行比對，判斷其合法性，驅動聲光指示及液晶顯示，并將考勤狀態上傳至控制主機中。當終端和控制主機數據鏈路傳輸錯誤，終端128M 閃存容量可單機存儲7天考勤數據，同時設計定時“握手”信號確保在網絡恢復下的信息同步機制及數據斷點續傳。 本設計采用指紋識別作為身份鑒定，其作為生物識別技術中最為關注和成熟的一種，具有隨身性，與人體唯一綁定，防偽性好，具有傳統身份鑒定手段無法比擬的優勢[15-17]。模塊選型采用瑞典FingerPrints
公司推出的電容式面裝指紋傳感器FPC1011F，其具有高分辨率、高速、高耐磨等特點。整機實測結果為：50人次考勤人均<1S的感應識別通過速度。
2.2 控制主機層
院校教學、實訓、行政、后勤等各部門樓宇安裝控制主機，分布式對不同類別人群進行分類考勤信息匯總�？刂浦鳈C運行Visual C#開發的應用程序，主要為考勤信息記錄及處理、考勤信息看板展示兩大功能，如圖3所示。
每天將當天課程、學生、教師等信息提取出來，放入相應臨時表，課前及上班前下發至每臺嵌入式考勤機;實時接收考勤終機上傳的身份數據及考勤時間，自動匹配信息，生成“正�！薄斑t到”“曠課”數據并保存;實時將“遲到”“曠課”上傳至服務器層，并將各臨時表的考勤數據等刪除;當對應數據傳輸不成功，通過啟動多次定時重傳，并提供人工控制傳輸方式。
另一方面，通過在每棟建筑大廳的大屏幕LED進行考勤信息的展示，包括房間號、課程、班級、出勤率、教師出勤狀態等信息。
2.3 服務器層
服務器架設在學校網絡中心，運行Java開發的考勤管理系統，與各樓宇控制主機進行命令與數據傳輸，實現覆蓋院校所有樓宇、全部人群的考勤數據自動處理管理，最大日處理考勤數據為100萬人次、2TB，可滿足10萬規模人數每天8次考勤需求。其主要功能包括基礎數據管理、數據下發、考勤信息查詢與統計、考勤預警、調停課處理、考勤人工調整及系統與用戶管理等，如圖4所示。
基礎數據管理子模塊是為滿足考勤需要，系統將課程基礎數據（課程名稱、授課時間段、地點、教師、班級）、學生基礎數據（學號、姓名、班級、身份數據）、教師基礎數據（教工號、姓名、學院、身份數據）、班級數據（班級名、年級、專業、學院、班主任）等導入。
數據下發子模塊在學期初前，首先發出清理數據指令，清空各控制主機數據;再將生成的各建筑物考勤數據寫入控制主機數據庫中。
考勤信息查詢與統計子模塊便于各類人員通過網絡（Web）查詢、統計某段時間內的考勤信息，如某個學生的出勤情況、某個班級的出勤情況、某門課程的出勤情況、違規次數多于N次的人員情況等。
考勤預警子模塊指可設置預警條件，當違規情況達到預警條件，通過GSM方式發送預警短信至預定手機號碼上（違規者本人、輔導員、班主任、家長等）。
考勤數據人工修正子模塊指根據學生請假、休學、課程調整等情況，管理員可人工增加、修改、刪改考勤數據，其中對于休學、請假情況，考慮“事后”定期集中處理。
系統與用戶管理子模塊包括根據業務需要及管理級別，設置相應權限，不同權限的用戶可以處理、查詢、修改業務內容;也包括設置控制參數，如設置考勤時間、遲到及曠課時間點等。
假期調停課處理子模塊實現節假日集中調、停課功能，由學校教務部門或二級學院教務員按規定統一調整。
3 數據庫設計
為方便控制主機層及服務器層的數據傳輸，將采用相同的數據庫設計，根據系統功能需求分析，選用SQL Server 2012作為后臺數據庫平臺。SQL Server 2012安全性、事務處理能力和誤差控制符合事務要求，其智能服務器技術增強了服務器上數據整體性，并具有分布式數據庫管理功能，支持多用戶高性能快速響應，充分滿足分布式多層計算模型的設計需求[18=19]。在院�？记诠芾硐到y中，其業務較為復雜，需實現的功能也很多[20-21]。因而在數據庫中用于不同功能的表也較多，概括起來可分為基本功能表和功能操作表兩大類�；竟δ鼙碇饕墙y計查詢所涉及的各類表，功能操作表主要是各個子模塊所用到的表。主要數據庫表設計說明如下表3所示。
4 結束語
基于分布式院�？记谙到y采用三層架構設計，通過合理規劃各層任務，考勤終端主要負責數據感應、識別、存儲，控制主機負責管理本棟大樓所有考勤終端數據的整理、分析，服務器收集院校所有數據并匯總、統計，三層相互配合、協調共同完成智能考勤過程，體現了部門分布式處理和院校整體數據管理需求。本系統部署兩棟實訓樓，共70間4800工位，每間日均考勤6次，經試用驗證，系統運行穩定，實時性高，實現了院�？记跀祿募�、自動處理，打破了院校各部門、各建筑考勤的數據壁壘，解決了傳統考勤方式耗時長、效率低等問題，初步實現了智能校園中重要的考勤管理模塊[22-23]，為進一步“數字校園”建設奠定了基礎。
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【通聯編輯：謝媛媛】
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