Xây dựng giải pháp thông minh giám sát nề nếp học sinh THPT sử dụng công nghệ IOT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Ngọc Quang XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THÔNG MINH GIÁM SÁT NỀ NẾP HỌC SINH THPT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2019 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - Nguyễn Ngọc Quang XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THÔNG MINH GIÁM SÁT NỀ NẾP HỌC SINH THPT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 8.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG KIÊN HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Quang ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC .ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG BÀI TOÁN QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH CẤP BẬC THPT HIỆN NAY 1.1 Phân tích sở lý thuyết cơng tác quản lý nề nếp học sinh 1.1.1 Điểm danh nhiều lần ca học 1.1.2 Điểm danh kiểu xác suất 1.1.3 Điểm danh 1.1.4 Điểm danh theo ngẫu hứng .7 1.1.5 Kiểm tra thẻ 1.2 Phân tích bất cập công tác quản lý học sinh THPT CHƯƠNG PHÂN TÍCH BÀI TOÁN QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH TẠI TRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI 11 2.1 Giới thiệu chung trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín 11 2.2 Công tác quản lý nề nếp học sinh trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín .15 2.3 Phân tích số cơng nghệ có thể sử dụng việc quản lý nề nếp học sinh .17 2.3.1 RFID .17 2.3.2 QR code 20 2.3.3 NFC .21 2.4 Đề xuất ý tưởng giải pháp quản lý nề nếp học sinh THPT sử dụng công nghệ, kỹ thuật ICT IoT .23 iii 2.4.1 Đề xuất ý tưởng 23 2.4.2 Bảng liệu giải pháp 24 2.4.3 Bảng liệu sản phẩm 29 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ICT/IOT 33 3.1 Xây dựng đặc tả hệ thống 33 3.1.1 Các tác nhân mô tả 33 3.1.2 Các điều kiện phụ thuộc 34 3.1.3 Đặc tả yêu cầu chức .36 3.1.4 Đặc tả chi tiết chức hệ thống 37 3.2 Phân tích thiết kế hệ thống 53 3.2.1 Chức 53 3.2.2 Thiết kế chức 53 3.2.3 Xây dựng tích hợp hệ thống .59 3.3 Tích hợp thử nghiệm trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín 61 3.3.1 Mục đích thử nghiệm 61 3.3.2 Mơ hình triển khai thử nghiệm .61 3.3.3 Kịch thử nghiệm 63 3.3.4 Kết thử nghiệm .67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface CNTT Information Technology Cơng nghệ thông tin CSDL Data base Cơ sở liệu ĐTTM SmartCity Đô thị Thông minh GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng HĐH Operating system Hệ điều hành HTML HyperText Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn IC Integrated Circuit Mạch tích hợp Information and Công nghệ thông tin Communications Technology truyền thông ID Identification Sự nhận dạng IoT Internet of Things IT Information Technology Công nghệ thông tin International Telecomunication Liên Minh Viễn Thông Union Quốc Tế JSON JavaScript Object Notation Kiểu liệu mở LHQ United Nations Liên hiệp quốc MBO Management By Objective Quản trị theo mục tiêu MBP Management By Process Quản lý theo quy trình NFC Near-Field Communications Cơng nghệ giao tiếp trường gần QR Quick Response Mã phản hồi nhanh RFID Radio Rrequency Identification Nhận dạng tần số sóng vơ tuyến SQL Structured Query Language Ngơn ngữ truy vấn ICT ITU Mạng lưới vạn vật kết nối Internet mang tính cấu trúc v SSC Smart Sustainable Cities Đơ thị thông minh, bền vững THPT Highschool Trung học phổ thông URL Uniform Resource Locator Định vị Tài nguyên thống XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1 Kiến trúc đô thị thông minh Hình 0.2 Mơ hình giáo dục thông minh [2] .3 Hình 0.3 Hệ thống ứng dụng CNTT giáo dục [2] Bảng 1.1 Điểm danh học sinh giảng đường Bảng 2.1 Khuôn viên trường Nguyễn Trãi – Thường Tín 11 Hình 2.2 Đội ngũ giáo viên trường .12 Hình 2.3 Các hình ảnh khác trường 13 Hình 2.4 Các hình ảnh khác trường 14 Hình 2.5 Ý tưởng giải pháp quản lý nề nếp học sinh sử dụng công nghệ, kỹ thuật ICT IoT 23 Hình 3.1 Các chức hệ thống .53 Hình 3.2 Mơ hình use case hệ thống 53 Hình 3.3 Biểu đồ case Đăng nhập .54 Hình 3.4 Biểu đồ Xem cấu trúc tổ chức 54 Hình 3.5 Biểu đồ gán người dùng vào tổ chức .55 Hình 3.6 Biểu đồ loại bỏ người dùng khỏi tổ chức 55 Hình 3.7 Biểu đồ thêm người dùng .56 Hình 3.8 Biểu đồ xóa người dùng 56 Hình 3.9 Biểu đồ cấp phát mã điểm danh 57 Hình 3.10 Biểu đồ thu hồi mã thẻ điểm danh 57 Hình 3.11 Biểu đồ đăng kí nhận thơng tin điểm danh qua email 58 Hình 3.12 Biểu đồ điểm danh học sinh 58 Hình 3.13 Mơ hình MVC 60 Hình 3.14 Tag thẻ RFID 62 Hình 3.15 Bo mạch reader 62 Hình 3.16 Vi xử lý 63 Hình 3.17 Sơ đồ kết nối với reader 63 Hình 3.18 Ảnh quẹt thẻ điểm danh RFID 64 Hình 3.19 Camera .64 vii Hình 3.20 Đầu đọc thẻ 64 Hình 3.21 Thẻ RFID 64 Hình 3.22 Xem thống kê điểm danh lớp tổ chức .66 Hình 3.23 Thống kê điểm danh cho giáo viên 67 MỞ ĐẦU Với phát triển bùng nổ công nghệ mạng Internet gần đây, giới bước vào giai đoạn có thay đổi mang tính bước ngoặt ứng dụng kỹ thuật cơng nghệ vào tốn quy mơ lớn Một số toán đó SmartCity hay Đô thị Thông minh/ Thành phố thông minh Đây xu hướng lớn Quốc gia, Đô thị giới nghiên cứu, triển khai Gần đây, khái niệm Đô thị thông minh bền vững (Smart Sustainable Cities- SSC) ITU đưa năm 2013 sở đáp ứng mục tiêu toàn cầu phát triển bền vững tới 2030 LHQ: “ĐTTM phát triển bền vững đô thị sáng tạo, sử dụng CNTT Truyền thông phương tiện khác để nâng cao chất lượng sống, hiệu dịch vụ hoạt động thị, nâng cao tính cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu kinh tế, xã hội, môi trường văn hóa hệ tương lai” Trong ĐTTM có lĩnh vực giáo dục cần nhiều ứng dụng cơng nghệ đại Có công việc cần công nghệ trợ giúp để giảm công sức nâng cao hiệu Trong đó quản lí nề nếp học sinh công việc chiếm nhiều thời gian công sức Đối với liên hệ với gia đình, nhà trường cần phối hợp phụ huynh Mặt khác số gia đình cũng quan tâm thời gian học tập em mình, em đến trường từ bao giờ, tan trường lúc Tuy biết thơng qua giáo viên chủ nhiệm giám thị, biết số học sinh lớp chưa thực tổng thể Với mục đích góp phần cơng sức việc nâng cao hiệu quản lí nề nếp Giảm thời gian công sức thực hiện, cũng nâng cao hiệu cập nhật tổng hợp thơng tin Cần có thêm ứng dụng cơng nghệ đại ICT, IoT… ICT ứng dụng khơng đơn giản IT hóa quy trình nghiệp vụ mà gần việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo, thiết bị cảm biến IoT làm cho vấn đề giải cách thông minh 56 c Biểu đồ case Quản lý người dùng  Biểu đồ tuần tự Thêm người dùng Hình 3.7 Biểu đồ tuần tự thêm người dùng  Biểu đồ tuần tự Xóa người dùng Hình 3.8 Biểu đồ tuần tự xóa người dùng 57 d Biểu đồ case Quản lý điểm danh  Biểu đồ tuần tự Cấp phát mã thẻ điểm danh Hình 3.9 Biểu đồ cấp phát mã điểm danh  Biểu đồ tuần tự Thu hồi mã thẻ điểm danh Hình 3.10 Biểu đồ thu hồi mã thẻ điểm danh 58  Biểu đờ t̀n tự Đăng kí nhận thơng tin điểm danh qua email Hình 3.11 Biểu đờ đăng kí nhận thông tin điểm danh qua email  Biểu đồ tuần tự Học sinh điểm danh Hình 3.12 Biểu đồ điểm danh học sinh 59 3.2.3 Xây dựng và tích hợp hệ thống 1) Kiến trúc chức hệ thống Phần mềm hệ thống tổ chức theo mơ hình hình dưới:  Khối đầu đọc thẻ đọc thẻ RFID học sinh quẹt điểm danh,  Khối Backend lưu trữ thông tin học sinh thông tin điểm danh  Giao diện ứng dụng cung cấp chức quản trị cho đối tượng liên quan đền hệ thống Khố ầ ọc thiết bị dùng IoT Giao diện ng dụng (WEB) Backend DB 2) Công nghệ phát triển hệ thống Hệ thơng sử dụng mơ hình Model – View – Controller xây dựng hệ thống, mơ hình kiến trúc phần mềm tạo với mục đích quản lý xây dựng dự án phần mềm có hệ thống Mơ hình dùng rộng rãi đặc biệt ngơn ngữ lập trình web MCV biết tới kiến trúc khuôn mẫu, xem kiến trúc dựa tầng (layer), đó tầng Controller, Model View Các tầng có liên quan đến nhau, xem hình minh hoạ bên 60 Hình 3.13 Mơ hình MVC Trong mơ hình trên: Controller: Các controller giữ vai trị điều khiển chương trình Một controller có trách nhiệm cho luồng thực thi chương trình Trong ứng dụng web sở sử dụng MVC, tầng gọi trình duyệt truy cập URL Model: Các Model giữ vai trị liệu chương trình thông tin từ đối tượng sở liệu câu truy vấn SQL Tất liệu thu từ model; nhiên model gọi trực tiếp mà controller phải yêu cầu model cho đặc tả liệu model thực thi truy vấn trả liệu cho controller Views: View tầng cuối kiến trúc MVC, đóng vai trò giao diện chương trình – GUI Trong ứng dụng web, chứa mã phía client HTML, JavaScript, XML hay JSON, v.v View tầng người dùng có thể nhìn thấy được; model, controller bị ẩn với người sử dụng Mođun Backend hệ thống phát triển sử dụng ngôn ngữ Java, sở liệu SQL server 61 3.3Tích hợp thử nghiệm tại trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín 3.3.1 Mục đích thử nghiệm Việc thử nghiệm hệ thống nhằm kiểm tra tính hệ thống hoạt động xác thực xem có phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu hay khơng 3.3.2 Mơ hình triển khai thử nghiệm Trong khuôn khổ luận văn, tác giả xây dựng hệ thống quản lý nề nếp học sinh sử dụng công nghệ ICT/ IoT thẻ thông minh thực tế Các thành phần hệ thống bao gồm:  máy tính chạy HĐH Windows server 2012 cài chương trình đóng vai trị server sở liệu hệ thống cũng đặt máy tính  02 đầu đọc thẻ thông minh gắn điểm cố định trường có thể cổng trường cửa lớp học  05 thẻ điểm danh cho 05 học sinh tương ứng tham gia vào thử nghiệm  (Hình sơ đồ khn viên trường dự kiến bố trí thử nghiệm) Khu C Khu B Khu D Phòng máy chủ Đầu ọc th C ng trường Đầu ọc th Giao diện quản lý Hình Mô hình kiến trúc triển khai Khu A 62 Mô tả:  Server: đóng vai trò chủ yếu hệ thống, gồm:  Cung cấp API: cung cấp API cho đầu đọc thẻ gửi thông tin điểm danh gửi từ học sinh quẹt thẻ điểm danh  Giao diện quản lý (Web): giao diện web để nhân viên quản lý đào tạo có thể tạo cấu trúc tổ chức, người dùng gán cho giáo viên, xem thông tin thống kê điểm danh theo yêu cầu (lớp, học sinh,…)  Lưu trữ liệu hệ quản trị sở liệu SQL server  Reader : Đọc thông tin từ thẻ điểm danh để ghi nhận điểm danh cho học sinh Ở đây, đề tài thử nghiệm với thiết bị đọc thẻ bố trí hướng vào cổng trường để tiện cho việc quẹt thẻ học viên đồng thời cũng cung cấp thông tin theo hướng vào hay sở nhận biết ID đầu đọc thẻ  Tag RFID: Sử dụng NFC S50 RFID  Đầu đọc thẻ sử dụng thiết bị RFID 13.56 Mhz IC Tag Token Key Ring RC522: Mifare Hình 3.14 Tag thẻ RFID Hình 3.15 Bo mạch reader  Vi xử lý sử dụng giao tiếp đầu đọc thẻ kết nối với server qua wifi: sử dụng Wifi BLE Soc ESP32: 63 Hình 3.16 Vi xử lý Hình 3.17 Sơ đồ kết nối với reader 3.3.3 Kịch thử nghiệm 1) Các kịch sử dụng học sinh STT Các trường Các bước thực hợp sử dụng Học sinh, học sinh sử dụng thẻ cấp Điểm danh Quẹt thẻ qua đầu đọc đặt điểm quy định Đầu đọc thẻ chuyển trạng thái ghi nhận điểm danh Xem thống kê điểm danh Ghi nhận điểm danh vào thời gian học sinh điểm danh kết thông Nhập mã học sinh để tìm kiếm tin thơng tin điểm danh yêu cầu Học sinh học phụ huynh vào Xem trang web chia sẻ nhà trường Kết điểm danh theo mã Xem kết thông tin điểm danh học sinh 64 Hình 3.18 Ảnh quẹt thẻ điểm danh RFID Hình 3.19 Camera Hình 3.20 Đầu đọc thẻ Hình 3.21 Thẻ RFID 65 2) Các kịch sử dụng Quản lý đào tạo Các trường hợp sử STT Các bước thực Kết yêu cầu dụng Xem thống kê điểm danh chi tiết học sinh Đăng nhập vào hệ thống với tài khoản cấp Xem danh Tìm kiếm theo mã học sinh sách thống kê chi Chọn dịch vụ tiết điểm danh Xem danh sách thống kê học sinh điểm danh học sinh Đăng nhập vào hệ thống Xem biểu đồ thống kê chung lớp với tài khoản cấp Thiết lập lọc, chọn lớp Chọn thời gian Xem biểu đồ thống kê Xem biểu đồ thống kê lớp theo thời gian điểm danh lớp Đăng nhập vào hệ thống với tài khoản cấp Quản lý tổ chức Chọn menu Quản lý tổ chức Chọn tổ chức cha Thêm mới, sửa, xóa tổ chức Thêm/ bớt nhân viên thuộc địa bàn 66 Hình 3.22 Xem thống kê điểm danh một lớp tổ chức 3) Các kịch sử dụng Giáo viên Các trường hợp sử STT Các bước thực Kết yêu cầu dụng Giáo viên đăng nhập vào Xem thông tin điểm danh lớp tài khoản cấp Nhập thông tin lớp học muốn xem Xem danh sách điểm danh Xem danh sách điểm danh lớp lớp học Xem thông báo quản lý đào tạo Giáo viên đăng nhập với tài khoản cấp Xem thông Chọn menu thông báo báo từ quản lý đào Xem thông báo mà tạo quản lý đào tạo gửi 67 Hình 3.23 Thống kê điểm danh cho giáo viên 3.3.4 Kết thử nghiệm Các nội dung thử nghiệm nhằm đánh giá chức hệ thống, phù hợp với giải pháp với thực tế Dựa kết thử nghiệm thực tế thấy:  Các chức hệ thống thuộc nhóm Quản lý, người sử dụng, tương tác với học sinh tương thích với nghiệp vụ nhà trường  Các nhận xét cũng góp phần hoàn thiện thêm tính hay mặt cơng nghệ để để thuận tiện cho học sinh tiết kiệm chi phí đầu tư cho nhà trường  Cần có tính thể rõ kết tổng hợp điểm danh để làm kênh thị điểm chuyên cần cho phận Đoàn trường: Tự động trích xuất học sinh chưa đạt gửi tổng kết cho Đồn trường, đồng thời phải có tính nhắc nhở cho học sinh vượt ngưỡng điểm danh cho phép Hệ thống q trình thử nghiệm để có liệu từ phía quản lý đào tạo học sinh trường để đưa hệ thống bám sát đúng quy trình nghiệp vụ nhà trường Giúp nhà trường giảm bớt chi phí nhân cơng, văn 68 phịng phẩm việc quản lý điểm danh giúp nhà trường chia sẻ nhiều thông tin với phụ huynh học sinh Kết luận chương 3: Trong chương này, luận văn đã trình bày mơ hình triển khai thử nghiệm hệ thống, xây dựng thử nghiệm tiến hành kiểm tra hệ thống Kết cho thấy chức quản lý hệ thống cũng API dành cho giao tiếp máy đọc thẻ với CMS đạt yêu cầu thiết kế đặt Tuy nhiên, vài chức cần bổ sung để hoàn thiện sản phẩm 69 KẾT LUẬN Những kết đạt luận văn - Luận văn đã nghiên cứu tổng quan xu hướng phát triển Thành phố thông minh (Đô thị thông minh) giới Việt nam Chỉ vai trò SmartEducation SmartCity - Từ việc nghiên cứu xu hướng ứng dụng ICT Giáo dục thông minh, học viên đã lựa chọn toán cụ thể phổ biến trường THPT toán điểm danh học sinh làm đối tượng nghiên đề tài - Học viên phân tích tính quản lý học sinh cụ thể trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín để làm sở cho đưa yêu cầu toán xây dựng hệ thống - Học viên đã tiến hành xây dựng đặc tả, thiết kế tích hợp giải pháp cũng thử nghiệm trường THPT Nguyễn Trãi – Thường Tín Hướng nghiên cứu Trong khn khổ đề tài, học viên phát triển hệ thống mẫu tạm thời phù hợp với mơ hình trường THPT điển hình giúp cho việc hỗ trợ cơng tác quản lý điểm danh học sinh học trường, việc thẻ nghiệm sử dụng hình thức thẻ RFID Trong thời gian tới hệ thống có số hướng nâng cấp phát triển như: - Điểm danh sử dụng mã QR, đó học sinh cần sử dụng thẻ học sinh thông thường dán thêm mã QR, đó giảm chi phí cho học sinh, - Điểm danh sử dụng vân tay thay thẻ RFID, đó tránh gian lận việc quẹt giúp thẻ - Xây dựng giải pháp theo mơ hình đám mây để triển khai dạng dịch vụ cho nhiều trường đồng thời giúp giảm chi phí nhân lực vận hành cho trường, - Bổ sung tiện ích: gửi cảnh báo tự động, cho phép đăng kí nhận e-mail thơng tin điểm danh 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tiếng Việt [1] Đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ thống công nghệ thông tin thử nghiệm thu thập liệu phân tích số số hiệu thực (KPI) đô thị thông minh phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm phục vụ cho hoạt động quan quản lý Nhà nước Mã số KC01.04/16-20 [2] http://gbis.vn/vni/Content-32/Giao-duc-thong-minh-238/zone1.aspx [3] http://giaoduc.net.vn/Giao-duc-24h/8-diem-yeu-cua-giao-duc-Viet-Nampost99986.gd http://www.pcworld.com.vn/articles/kinh-doanh/nha-nuoc/2017/05/1251454/ditim- mot-dinh-nghia-co-cau- truc-cho-do-thi-thong-minh/ [4]  Tài liệu tiếng Anh [5] Elias G Carayannis – Editor, “Sustainable Smart Cities”, Springer International Publishing Switzerland 2017 [6] http://www.smart-cities.eu/?cid=-1&ver=4 https://en.wikipedia.org/wiki/QR_code https://arduino.esp8266.vn https://vi.wikipedia.org/wiki/RFID [7] [8] [9] ...HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Ngọc Quang XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THÔNG MINH GIÁM SÁT NỀ NẾP HỌC SINH THPT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG... học sinh mẻ, chưa ứng dụng nhiều nước ta 23 2.4 Đề xuất ý tưởng giải pháp quản lý nề nếp học sinh THPT sử dụng công nghệ, kỹ thuật ICT IoT 2.4.1 Đề xuất ý tưởng Sử dụng công nghệ IoT phần... Bảng liệu sản phẩm 29 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ICT /IOT 33 3.1 Xây dựng đặc tả hệ thống 33 3.1.1 Các tác