基于校園一卡通和PDA便攜式課程考試管理系統研究

文章出處：http://www.jrzgy.com 作者：姜春梅   人氣： 發表時間：2011年11月11日

    一、引言

    數字化校園是教育信息化的實體表現，是以校園網絡為基礎，利用先進的信息化手段和工具，將現實校園的各項資源數字化，形成的一個數字空間，使現實校園在時間和空間上延伸。隨著校園網的普及和數字化校園工程的不斷深入，教務信息系統、OA系統等均已成功地應用于高校教學管理中，從而使學校整體管理水平有了質的飛躍。但考務信息化，尤其是考試過程管理信息化已成為高校信息化建設的難點與重點。以往的考試管理中，落后的紙質準考證驗證考生身份的方式、單一的監考方式和孤立的考場考務管理方式，使其難以滿足數字化校園發展的需要。考試管理規范化和信息化程度低，難以跟上高校信息化步伐。因此，研究一種采用先進的信息技術和智能工具、經濟有效的電子化考試管理方法是十分必要的。

    校園一卡通平臺是數字化校園的重要組成部分，集身份識別、校園管理等各項校園服務為一體，為廣大師生員工的教學、科研、生活提供了極大的方便。平臺將公共數據集中管理、全局共享，與其他校園子系統緊密結合，架構了各種信息化應用系統，應用已十分廣泛。智能終端PDA具有體積小、重量輕的便攜性和無線上網特性，且隨著CPU處理速度和內存的不斷提升，其信息處理能力不斷增強。同時3G的推出標志著移動通信速率和資費都進入一個嶄新的歷史時期。因此開展基于校園一卡通平臺和PDA的應用研究切實可行。

    本研究的目的是基于校園一卡通平臺與PDA智能設備，構建新型的便攜式課程考試管理系統，為監考人員提供便捷可行的電子化考生身份認證方式與數字化考場管理功能，提高考場工作效率和考試管理信息化水平，完善我校數字化校園環境。

    二、考試管理發展現狀

    目前，絕大多數學校仍然以紙質準考證來驗證考生身份，這種身份認證方式效率較低、精確度不高，替考等違紀行為時有發生；考試過程中的違紀記錄等考場實時信息均以紙質資料的形式呈現，且考試結束后違規取證困難；監考人員管理考場方式單一；考試過程管理與考務評估實時性差；考場考務管理孤立，沒有與數字化校園平臺融合。

    隨著生物識別技術的出現，指紋識別作為基于人體生物特征的最成熟的身份識別技術，已被應用到了考試身份認證中，有效地克服了傳統身份認證方式效率低、精確度不高等弊端，杜絕了替考違紀行為，提高了考試身份認證的效度和信度。但指紋識別系統的建設需要在考試前對考生的指紋信息逐一進行采集，建立指紋圖像數據庫，并對指紋圖像進行預處理和提取指紋特征，技術含量高，圖像本身占用空間大，設備投資也較高，目前在考試身份認證中沒有大規模普及。另外，指紋識別系統多是孤立的身份認證系統，沒有與數字化校園平臺結合。電子化監控標準化考場可對考生在考場的行為全程監控，提供相應的音視頻資料，將考場中的實時信息集中存檔管理，是考試過程管理的有效手段，但支持此系統正常運行的軟硬件要求較高，系統建設的投資大、工程復雜，只有山東等少數省市考點建立；系統產生的信息量也特別大，不利于長期存儲和歸檔。因此，充分利用高新技術和現有數字化條件，開發新型考試管理系統尤為重要。
   
    三、基于校園一卡通平臺的便攜式課程考試管理系統設計

    1.需求分析

    基于校園一卡通平臺的便攜式課程考試管理系統旨在對考試過程規范化管理，為監考人員提供數字化管理手段。系統應具備以下功能：提供RFID（射頻識制）身份認證機制，以有效防范替考等違紀行為；提供簽到管理機制，以記錄考場中考生的出入情況；提供違規記錄處理機制，準確及時地記錄考生的作弊信息，以嚴肅考風考紀；提供統計同步功能，將考試過程中的必要數據同步到數字化校園平臺的教務信息系統中，以保證數據的實時性和有效性，提升考務管理信息化水平。

    2.系統框架

    系統框架如圖所示。PDA移動終端和后臺服務器端UI界面，用于向用戶呈現信息和收集用戶輸入信息。

 

    PDA終端：身份認證模塊調用讀卡器讀出的數據，完成考生身份信息在PDAUI上的顯示；簽到管理模塊根據考生刷卡時間，完成考生入場時間和離場時間的收集；違規記錄模塊完成對輸入違規數據的基本處理；通信模塊實現PDA移動終端功能模塊與后臺服務器邏輯處理模塊通信，通過調用服務器端相應邏輯功能處理程序結果，完成身份認證、過程管理等功能。

    后臺服務器端：通信模塊接受PDA端的通信請求，并將相應請求的邏輯處理模塊執行結果返回給PDA端；服務器邏輯處理模塊完成各自業務操作，提供特定服務，如判定考生身份是否合法等；后臺數據庫負責存儲和管理系統數據。系統通過校園一卡通系統提供的第三方API，定期從一卡通數據中心下載黑白名單文件，同時與數字化校園平臺中的教務信息系統數據中心相關信息進行融合，建立系統后臺數據庫。

    系統有兩種運行模式：在線運行模式和離線運行模式。實線框部分為在線運行模式，左側虛線框內為離線運行模式。在線運行時，PDA以有線網絡、WLAN、3G等方式訪問考試管理系統后臺服務器，實現對數據的提取和應用，完成相應功能。離線運行時，先將相關數據從后臺服務器下載到PDA本地數據庫，系統運行時，直接在本地數據庫上完成身份認證等系統功能。考試結束后，考試管理系統所有PDA終端與后臺服務器進行連接，同步數據。后臺服務器再將最新數據同步到數字化校園平臺。

    3.系統功能設計

    系統功能初步設計如下：

    （1）身份認證：考生在讀卡器上刷卡后，系統根據讀出的信息在當前考場考生信息中查找。若考生進入正確考場，PDA應用程序界面將顯示出考生的姓名、照片、班級、學號、有無作弊歷史等信息。監考人員據界面顯示信息驗證考生身份；若考生刷卡后，在當前考場考生信息中沒有此考生相關信息，系統將提示“此考生不屬于本考場”等信息，避免考生誤入考場。考試結束交卷時，再次刷卡，PDA應用程序界面再次顯示考生相關信息，監考人員據此信息核對考生試卷個人信息是否填寫正確。
    （2）簽到管理：記錄考生進入考場時間，交卷離場時間，考試中有無離開考場等信息；統計到場人數，據實際到場人數準確發放相應數目的試卷。
    （3）違規記錄：為做到事實清楚、證據確鑿、程序規范，需要記錄考生考試違紀情況，系統提供以下選項：攜帶書籍、筆記等相關資料；攜帶通訊工具、電子用品；考前答題和考試結束后繼續答題；考場內喧嘩；考試期間交頭接耳；替考；抄襲；交換試卷；其他違紀行為等；并提供照片、視頻等違紀證據；提供監考人員對其的處罰建議，如輕微處罰、嚴重處罰、本場考試成績無效等。
    （4）考場報時：系統提示考試時間，提示拆卷時間、發卷時間、開考時間和考試結束時間。
    （5）黑名單：記錄有過考試違紀行為的考生信息；在身份認證時，對于違紀行為特別嚴重、沒有考試資格者，系統發出報警聲。
    （6）考試動態：提供考試時間、考試科目、監考人員、考場規則等考場實時考務信息。
    （7）同步統計：統計考試過程中重要的考務信息，如統計沒有到達考場參加考試的考生和多次不按時到達考場考試、曠考的考生；統計違規記錄，以提供警告和處罰的依據，并與后臺服務器數據同步。

    四、系統實現關鍵技術研究

    移動終端操作系統為微軟Windows Mobile 5.0，數據庫為SQL Server 2005CE；后臺使用Windows Sever 2003操作系統、IIS服務器、SQL Sever 2005數據庫、移動終端和后臺集成開發環境均使用Visual Studio 2005；開發語言為C#。目前僅針對系統離線運行模式進行開發，在線運行模式是本研究的后續研發工作。離線運行模式開發中需要解決的關鍵問題主要有：PDA本地數據庫的設計與優化、讀卡實現及PDA移動終端與后臺服務器間的數據同步。

    1.PDA本地數據庫的設計與優化

    PDA終端存儲空間相對有限，但又必須存儲系統離線運行時的必要數據，所以使用微軟專為移動設備推出的輕型關系數據庫產品SQL Server CE作為存儲工具。仔細分析校園一卡通系統和教務信息系統數據，只取與考試相關的重要信息，并按3NF規范化標準設計數據庫結構，目的是節省存儲空間，消除存儲異常，使數據冗余盡量小，便于插入、刪除和更新，提高對關系的操作效率，同時滿足應用需求。本地采用數據庫主要有考生信息庫和考務信息庫。考生庫保存姓名、照片、學號、違規歷史等考生基本信息；考務信息庫擬保存考試安排、考場分布、考場出入等考場考務相關信息。

    2.讀卡實現

    本校校園一卡通是MIFARE 1 S50射頻卡，其內具有微處理器，內置大規模集成電路和天線，工作頻率為13.56MHz。采用SDiD 1020射頻讀寫器來完成讀卡工作。

    （1）SDiD1020讀寫器及其工作原理：SDiD讀寫器是產業界第一個RFID讀寫安全數碼卡，基于標準SDIO接口，專為具備SD卡插槽的個人數位處理PDA、智能手機等手持設備而設計，為便攜終端提供RFID讀/寫能力。當卡片進入讀卡器工作區域內時，讀寫器射頻模塊向卡片發射一組固定頻率的電磁波，與卡片內部的一個同樣頻率的LC串聯諧振電路發生共振，從而使卡片內部電容充電，通過卡內單向導通的電子泵，將電荷向另一個電容存儲，當積累電荷達到一定量時，即可以提供射頻卡工作電路電壓，發送數據信息。讀卡器感應接收射頻卡的應答信息，將對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶射頻卡上其他相關信息傳輸到主機以供處理。[9][10]

    （2）卡片數據讀取：SDiD讀寫器可讀取兩種協議標準的射頻卡：15693標準和14443A標準。SDiD API中的WDIUtility：：Change-Protocol（）函數可以完成協議標準的轉換工作。SDiD API針對不同的射頻卡提供了不同開發包，實現對射頻卡的讀寫。但目前系統僅需讀卡數據，故只需其Read系列函數的支持。此外，每種射頻卡的Card Memory Model因卡而異，且有嚴格的數據加密格式，

    一、引言

    數字化校園是教育信息化的實體表現，是以校園網絡為基礎，利用先進的信息化手段和工具，將現實校園的各項資源數字化，形成的一個數字空間，使現實校園在時間和空間上延伸。隨著校園網的普及和數字化校園工程的不斷深入，教務信息系統、OA系統等均已成功地應用于高校教學管理中，從而使學校整體管理水平有了質的飛躍。但考務信息化，尤其是考試過程管理信息化已成為高校信息化建設的難點與重點。以往的考試管理中，落后的紙質準考證驗證考生身份的方式、單一的監考方式和孤立的考場考務管理方式，使其難以滿足數字化校園發展的需要。考試管理規范化和信息化程度低，難以跟上高校信息化步伐。因此，研究一種采用先進的信息技術和智能工具、經濟有效的電子化考試管理方法是十分必要的。

    校園一卡通平臺是數字化校園的重要組成部分，集身份識別、校園管理等各項校園服務為一體，為廣大師生員工的教學、科研、生活提供了極大的方便。平臺將公共數據集中管理、全局共享，與其他校園子系統緊密結合，架構了各種信息化應用系統，應用已十分廣泛。智能終端PDA具有體積小、重量輕的便攜性和無線上網特性，且隨著CPU處理速度和內存的不斷提升，其信息處理能力不斷增強。同時3G的推出標志著移動通信速率和資費都進入一個嶄新的歷史時期。因此開展基于校園一卡通平臺和PDA的應用研究切實可行。

    本研究的目的是基于校園一卡通平臺與PDA智能設備，構建新型的便攜式課程考試管理系統，為監考人員提供便捷可行的電子化考生身份認證方式與數字化考場管理功能，提高考場工作效率和考試管理信息化水平，完善我校數字化校園環境。

    二、考試管理發展現狀

    目前，絕大多數學校仍然以紙質準考證來驗證考生身份，這種身份認證方式效率較低、精確度不高，替考等違紀行為時有發生；考試過程中的違紀記錄等考場實時信息均以紙質資料的形式呈現，且考試結束后違規取證困難；監考人員管理考場方式單一；考試過程管理與考務評估實時性差；考場考務管理孤立，沒有與數字化校園平臺融合。

    隨著生物識別技術的出現，指紋識別作為基于人體生物特征的最成熟的身份識別技術，已被應用到了考試身份認證中，有效地克服了傳統身份認證方式效率低、精確度不高等弊端，杜絕了替考違紀行為，提高了考試身份認證的效度和信度。但指紋識別系統的建設需要在考試前對考生的指紋信息逐一進行采集，建立指紋圖像數據庫，并對指紋圖像進行預處理和提取指紋特征，技術含量高，圖像本身占用空間大，設備投資也較高，目前在考試身份認證中沒有大規模普及。另外，指紋識別系統多是孤立的身份認證系統，沒有與數字化校園平臺結合。電子化監控標準化考場可對考生在考場的行為全程監控，提供相應的音視頻資料，將考場中的實時信息集中存檔管理，是考試過程管理的有效手段，但支持此系統正常運行的軟硬件要求較高，系統建設的投資大、工程復雜，只有山東等少數省市考點建立；系統產生的信息量也特別大，不利于長期存儲和歸檔。因此，充分利用高新技術和現有數字化條件，開發新型考試管理系統尤為重要。
   
    三、基于校園一卡通平臺的便攜式課程考試管理系統設計

    1.需求分析

    基于校園一卡通平臺的便攜式課程考試管理系統旨在對考試過程規范化管理，為監考人員提供數字化管理手段。系統應具備以下功能：提供RFID（射頻識制）身份認證機制，以有效防范替考等違紀行為；提供簽到管理機制，以記錄考場中考生的出入情況；提供違規記錄處理機制，準確及時地記錄考生的作弊信息，以嚴肅考風考紀；提供統計同步功能，將考試過程中的必要數據同步到數字化校園平臺的教務信息系統中，以保證數據的實時性和有效性，提升考務管理信息化水平。

    2.系統框架

    系統框架如圖所示。PDA移動終端和后臺服務器端UI界面，用于向用戶呈現信息和收集用戶輸入信息。

    PDA終端：身份認證模塊調用讀卡器讀出的數據，完成考生身份信息在PDAUI上的顯示；簽到管理模塊根據考生刷卡時間，完成考生入場時間和離場時間的收集；違規記錄模塊完成對輸入違規數據的基本處理；通信模塊實現PDA移動終端功能模塊與后臺服務器邏輯處理模塊通信，通過調用服務器端相應邏輯功能處理程序結果，完成身份認證、過程管理等功能。

    后臺服務器端：通信模塊接受PDA端的通信請求，并將相應請求的邏輯處理模塊執行結果返回給PDA端；服務器邏輯處理模塊完成各自業務操作，提供特定服務，如判定考生身份是否合法等；后臺數據庫負責存儲和管理系統數據。系統通過校園一卡通系統提供的第三方API，定期從一卡通數據中心下載黑白名單文件，同時與數字化校園平臺中的教務信息系統數據中心相關信息進行融合，建立系統后臺數據庫。

    系統有兩種運行模式：在線運行模式和離線運行模式。實線框部分為在線運行模式，左側虛線框內為離線運行模式。在線運行時，PDA以有線網絡、WLAN、3G等方式訪問考試管理系統后臺服務器，實現對數據的提取和應用，完成相應功能。離線運行時，先將相關數據從后臺服務器下載到PDA本地數據庫，系統運行時，直接在本地數據庫上完成身份認證等系統功能。考試結束后，考試管理系統所有PDA終端與后臺服務器進行連接，同步數據。后臺服務器再將最新數據同步到數字化校園平臺。

    3.系統功能設計

    系統功能初步設計如下：

    （1）身份認證：考生在讀卡器上刷卡后，系統根據讀出的信息在當前考場考生信息中查找。若考生進入正確考場，PDA應用程序界面將顯示出考生的姓名、照片、班級、學號、有無作弊歷史等信息。監考人員據界面顯示信息驗證考生身份；若考生刷卡后，在當前考場考生信息中沒有此考生相關信息，系統將提示“此考生不屬于本考場”等信息，避免考生誤入考場。考試結束交卷時，再次刷卡，PDA應用程序界面再次顯示考生相關信息，監考人員據此信息核對考生試卷個人信息是否填寫正確。
    （2）簽到管理：記錄考生進入考場時間，交卷離場時間，考試中有無離開考場等信息；統計到場人數，據實際到場人數準確發放相應數目的試卷。
    （3）違規記錄：為做到事實清楚、證據確鑿、程序規范，需要記錄考生考試違紀情況，系統提供以下選項：攜帶書籍、筆記等相關資料；攜帶通訊工具、電子用品；考前答題和考試結束后繼續答題；考場內喧嘩；考試期間交頭接耳；替考；抄襲；交換試卷；其他違紀行為等；并提供照片、視頻等違紀證據；提供監考人員對其的處罰建議，如輕微處罰、嚴重處罰、本場考試成績無效等。
    （4）考場報時：系統提示考試時間，提示拆卷時間、發卷時間、開考時間和考試結束時間。
    （5）黑名單：記錄有過考試違紀行為的考生信息；在身份認證時，對于違紀行為特別嚴重、沒有考試資格者，系統發出報警聲。
    （6）考試動態：提供考試時間、考試科目、監考人員、考場規則等考場實時考務信息。
    （7）同步統計：統計考試過程中重要的考務信息，如統計沒有到達考場參加考試的考生和多次不按時到達考場考試、曠考的考生；統計違規記錄，以提供警告和處罰的依據，并與后臺服務器數據同步。

    四、系統實現關鍵技術研究

    移動終端操作系統為微軟Windows Mobile 5.0，數據庫為SQL Server 2005CE；后臺使用Windows Sever 2003操作系統、IIS服務器、SQL Sever 2005數據庫、移動終端和后臺集成開發環境均使用Visual Studio 2005；開發語言為C#。目前僅針對系統離線運行模式進行開發，在線運行模式是本研究的后續研發工作。離線運行模式開發中需要解決的關鍵問題主要有：PDA本地數據庫的設計與優化、讀卡實現及PDA移動終端與后臺服務器間的數據同步。

    1.PDA本地數據庫的設計與優化

    PDA終端存儲空間相對有限，但又必須存儲系統離線運行時的必要數據，所以使用微軟專為移動設備推出的輕型關系數據庫產品SQL Server CE作為存儲工具。仔細分析校園一卡通系統和教務信息系統數據，只取與考試相關的重要信息，并按3NF規范化標準設計數據庫結構，目的是節省存儲空間，消除存儲異常，使數據冗余盡量小，便于插入、刪除和更新，提高對關系的操作效率，同時滿足應用需求。本地采用數據庫主要有考生信息庫和考務信息庫。考生庫保存姓名、照片、學號、違規歷史等考生基本信息；考務信息庫擬保存考試安排、考場分布、考場出入等考場考務相關信息。

    2.讀卡實現

    本校校園一卡通是MIFARE 1 S50射頻卡，其內具有微處理器，內置大規模集成電路和天線，工作頻率為13.56MHz。采用SDiD 1020射頻讀寫器來完成讀卡工作。

    （1）SDiD1020讀寫器及其工作原理：SDiD讀寫器是產業界第一個RFID讀寫安全數碼卡，基于標準SDIO接口，專為具備SD卡插槽的個人數位處理PDA、智能手機等手持設備而設計，為便攜終端提供RFID讀/寫能力。當卡片進入讀卡器工作區域內時，讀寫器射頻模塊向卡片發射一組固定頻率的電磁波，與卡片內部的一個同樣頻率的LC串聯諧振電路發生共振，從而使卡片內部電容充電，通過卡內單向導通的電子泵，將電荷向另一個電容存儲，當積累電荷達到一定量時，即可以提供射頻卡工作電路電壓，發送數據信息。讀卡器感應接收射頻卡的應答信息，將對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶射頻卡上其他相關信息傳輸到主機以供處理。[9][10]

    （2）卡片數據讀取：SDiD讀寫器可讀取兩種協議標準的射頻卡：15693標準和14443A標準。SDiD API中的WDIUtility：：Change-Protocol（）函數可以完成協議標準的轉換工作。SDiD API針對不同的射頻卡提供了不同開發包，實現對射頻卡的讀寫。但目前系統僅需讀卡數據，故只需其Read系列函數的支持。此外，每種射頻卡的Card Memory Model因卡而異，且有嚴格的數據加密格式，為保證卡的安全性，加密格式均不對外開放，因此很難正確讀取卡內數據。但每張卡出廠時都有唯一的生產序列號標識，研究通過調用SDiD1020API中的Mifare1KCard標準包完成對一卡通序列號的讀取。

    3.PDA移動終端與后臺服務器間的數據同步

    離線運行時，實現PDA移動終端數據與后臺數據間的同步，是完善考試管理系統必不可少的環節。由于移動終端和后臺服務器端均使用SQL Server數據庫，可以使用SQLServer2005CE內置的合并復制（Replication）和遠程數據訪問（RDA）技術實現二者數據同步。與合并復制相比，RDA是一種比較簡單的同步方法，但RDA有很多局限，如所支持的表、列的數目有限制、不直接支持雙向數據同步，也沒有完善的沖突檢測和解決的機制。[11]據系統需要，采用合并復制方法實現數據同步，所有類均位于名字空間System.Data.SqlServerCe下，主要涉及SqlCeReplication類的使用。

    五、總結

    校園一卡通管理已成為校園管理的重要手段。為滿足學校考試管理信息化需求，本文以現有校園一卡通平臺為依托，構建了有效實用的考試管理系統，對于提升考務管理水平，提高教學質量有積極意義。隨著我校信息化進程的不斷推進，該系統將在學習和考試管理過程中起到一定的積極作用。（西北工業大學電子信息學院 姜春梅《中國教育信息化》2010年第3期）

為保證卡的安全性，加密格式均不對外開放，因此很難正確讀取卡內數據。但每張卡出廠時都有唯一的生產序列號標識，研究通過調用SDiD1020API中的Mifare1KCard標準包完成對一卡通序列號的讀取。

    3.PDA移動終端與后臺服務器間的數據同步

    離線運行時，實現PDA移動終端數據與后臺數據間的同步，是完善考試管理系統必不可少的環節。由于移動終端和后臺服務器端均使用SQL Server數據庫，可以使用SQLServer2005CE內置的合并復制（Replication）和遠程數據訪問（RDA）技術實現二者數據同步。與合并復制相比，RDA是一種比較簡單的同步方法，但RDA有很多局限，如所支持的表、列的數目有限制、不直接支持雙向數據同步，也沒有完善的沖突檢測和解決的機制。[11]據系統需要，采用合并復制方法實現數據同步，所有類均位于名字空間System.Data.SqlServerCe下，主要涉及SqlCeReplication類的使用。

    五、總結

    校園一卡通管理已成為校園管理的重要手段。為滿足學校考試管理信息化需求，本文以現有校園一卡通平臺為依托，構建了有效實用的考試管理系統，對于提升考務管理水平，提高教學質量有積極意義。隨著我校信息化進程的不斷推進，該系統將在學習和考試管理過程中起到一定的積極作用。（西北工業大學電子信息學院 姜春梅《中國教育信息化》2010年第3期）