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 L LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG BÀI TOÁN QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH CẤP BẬC THPT HIỆN NAY 1.1 Phân tích sở lý thuyết cơng 1.1.1 Điểm da 1.1.2 Điểm da 1.1.3 Điểm da 1.1.4 Điểm da 1.1.5 Kiểm tra 1.2 Phân tích bất cập cơng t CHƯƠNG PHÂN TÍCH BÀI TỐN QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH TẠI TRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI 2.1 Giới thiệu chung trường THPT 2.2 Công tác quản lý nề nếp học sinh 2.3 Phân tích số cơng nghệ có th sinh 2.3.1 RFID 2.3.2 QR code 2.3.3 NFC 2.4 Đề xuất ý tưởng giải pháp quản lý kỹ thuật ICT IoT 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 API CNTT CSDL ĐTTM GUI HĐH HTML IC ICT ID IoT IT ITU JSON LHQ MBO MBP NFC QR RFID SQL v SSC THPT URL XML vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1 Kiến trúc thị thông minh Hình 0.2 Mơ hình giáo dục thơng minh [2] 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 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 đồ tuần tự Đăng kí nhận thơng tin điểm danh qua email Hình 3.11 Biểu đờ đăng kí nhận thơng 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 thông 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 Mô 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, nó tầng gọi trình duyệt truy cập URL Model: Các Model giữ vai trò liệu chương trình thơng 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 cùng kiến trúc MVC, đóng vai trò giao diện chương trình – GUI Trong ứng dụng web, nó 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 3.3 Tích 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 khn 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 ng trường C Đầu ọc Giao diện 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 RC522: 13.56 Mhz IC Tag Token Key Ring 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 hợp sử dụng Điểm danh Xem thống kê điểm danh 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 STT Xem kê danh tiết sinh Xem biểu đồ thống chung lớp Quản chức 66 Hình 3.22 Xem thống kê điểm danh một lớp tổ chức 3) Các kịch sử dụng Giáo viên STT Xem tin danh lớp Xem báo quản lý đào tạo 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 có thể 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 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 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 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 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 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 thể 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 [2] 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 [3] http://gbis.vn/vni/Content-32/Giao-duc-thong-minh-238/zone1.aspx [4] http://giaoduc.net.vn/Giao-duc-24h/8-diem-yeu-cua-giao-duc-Viet-Nam- post99986.gd [5] 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/  Tài liệu tiếng Anh [6] Elias G Carayannis – Editor, “Sustainable Smart Cities”, Springer International [7] [8] [9] [10] Publishing Switzerland 2017 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 ...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... lý nề nếp học tập, mơ hình quản lý nề nếp sử dụng công nghệ thiết bị thông minh Đồng thời đề xuất ý tưởng giải pháp thực 33 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG QUẢN LÝ NỀ NẾP HỌC SINH. .. 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