基于多機構管理的校園一卡通設計與實現

鄭 歡 陳汝龍

（1.安丘市官莊鎮官莊小學，山東 濰坊 261000；2.山東信息職業技術學院，山東 濰坊 261000）

1 引言

校園一卡通系統[1-3]是智慧校園[4]的重要組成部分，是落實教育現代化的重要舉措。其雛形為校園食堂收費系統，最早于2001年出現，華東理工大學與中山大學兩所學校第一次將收費系統應用到食堂消費管理中。隨后，各個公司開始研發此類系統，眾多高校陸續引入，并逐漸普及到中小學中，成為目前智慧校園不可或缺的重要組成部分。在校園一卡通的普及過程中，隨著技術的不斷提升，一卡通不再局限于食堂消費，校園門禁系統、校園水控系統、校園考勤系統、校園點餐系統、校園綜合繳費系統、圖書管理系統、機房管理系統等以一卡通消費為基礎，輻射校園需求的多功能、多場景一卡通系統應運而生。近年來，隨著物聯網、大數據、云計算的不斷發展，以數據治理校園[5]的理念逐漸形成，利用應用數據、業務流程建立校園大數據分析系統[6-8]，真正實現校園的全方位智慧管理。同時，隨著移動支付的不斷普及，整合阿里支付、微信支付的一卡通消費系統也在迅速發展起來。總之，以一卡通消費系統為基礎，全方位覆蓋校園各個場景的綜合校園管理系統正在發展壯大。但是，這些系統往往功能龐大、價格昂貴，適合各類高校，并不適應師生數量較少、學生年齡偏低的中小學，特別是鄉鎮小學，吸引不到企業的足夠重視，成為校園一卡通建設的盲區。本文結合中小學一卡通建設及實際使用情況，分析中小學校園一卡通使用過程中暴露出的一系列問題，并提出行之有效的解決方案，最后，對一卡通系統進行了設計與實現。

2 中小學一卡通系統問題分析

目前，一卡通系統在中小學中已得到大量普及，成為中小學師生校園生活不可或缺的一部分。在研究初期，對兄弟院校的一卡通系統進行了調研，整理了當前存在的主要問題：

（1）目前大部分中小學的消費系統支付方式單一，對一卡通存在極大的依賴，沒有移動支付功能。少部分學校提供移動支付功能，僅支持支付寶與微信兩種支付方式。但是，中小學生年齡偏低，手機持有率低，所謂的移動支付無法真正滿足便捷支付的實際需求。急需一種支持手機、學習機、智能手表、智能手環等各類移動終端的支付方式。

（2）大部分的中小學一卡通消費系統已運行多年，系統框架簡易，技術較為落后，極易遭到黑客攻擊，缺乏一種安全性較高、服務獨立的系統架構。

（3）中小學的組織機構相對高校而言有其特殊性，學校之間不是完全獨立的個體。以地級市為例，市內所有中小學統一由教體局管理，教體局下轄市直中小學、鄉鎮(街道)教育管理辦公室[9-10]，每個辦公室管理附近所有中小學，突破現有鄉鎮行政區域劃分的界限，其組織機構示意圖如圖1所示。因此，在中小學的消費管理中，其消費數據已不再獨立存在，上級機構往往需要對所轄學校的消費數據進行有效管控，急需一種多機構管理的校園一卡通系統。

圖1 中小學組織機構示意圖

3 一卡通系統結構設計

在分析了一卡通實際需求以后，系統設計采用B/S結構。同時，放棄過時的Struts2、Spring等Java Web框架，采用最新的Spring Cloud微服務框架[11]，根據業務需求拆分各個小型服務，并使每一個小型服務都圍繞著系統中的耦合度較高的業務功能進行構建，并且每個服務都維護著自身的數據存儲、業務開發、自動化測試案例以及獨立部署機制，也為日后的業務拓展做好了底層框架準備。同時，為了發現、配置和管理微服務，采用Nacos服務注冊中心，實現動態服務發現、服務配置、服務元數據及流量管理。

前端展示方面，采用成熟的Vue框架，提高前端的運行效率。前后端分離，后端負責業務/數據接口，前端負責展現/交互邏輯，前后端各盡其責可以最大程度減少開發難度。

硬件通信方面，采用netty框架，保障硬件的端口監聽，實現硬件通信。

4 一卡通系統功能分析

一卡通系統的設計遵循穩定、實用、安全等基本原則，PC管理端的相關功能模塊設計如下：

（1）系統管理，該模塊包含密碼修改、機構管理、角色管理、人員信息管理及系統日志五個子模塊。其中，密碼修改主要負責對管理人員的密碼進行更改，機構管理負責對多機構的管理與維護，角色管理為各機構管理員分配角色、設置權限等。人員信息則主要負責管理各機構的管理員，每位機構管理員只能管理及查看自己所屬機構以及下屬機構的數據。系統日志負責記錄每位登錄者的操作日志。

（2）用戶管理，該模塊分為用戶分類、用戶標簽、用戶信息三個子模塊，主要用于對一卡通用戶進行管理。用戶標簽的主要目的是對一卡通用戶進行分類，分為教職工、學生、臨時、外來人員等類別。而用戶標簽主要針對學生用戶，通過用戶標簽，可以有效區分學生的重要屬性，例如貧困生、留守兒童等標簽，通過用戶標簽，學校可以對重點學生進行有效監控，保障學生的合法權益。用戶信息管理支持用戶的批量導入與賬號凍結等操作，也支持學生的線下充值。

（3）設備管理，包含設備類型、設備信息兩個子模塊，主要負責對設備的劃分及信息管理。其中，設備類型包含電控設備、水控設備、消費機、門禁設備、考勤設備等，設備信息主要負責對設備編號、設備型號、設備位置、設備狀態等信息的維護。

（4）一卡通管理，該模塊包含一卡通類型管理、一卡通管理兩個子模塊。一卡通類型管理主要負責對一卡通的類型進行統一管理，包括學生卡、教工卡、臨時卡等。一卡通管理主要負責每張卡的維護工作，包括卡的凍結、余額查詢、卡分配等功能。

（5）場景設置，場景設置主要是對消費機的消費時段、消費金額等信息進行維護，滿足不同的消費場景需求，達到靈活控制消費時間與消費金額的目的，避免錯誤刷卡、錯誤消費現象出現。

（6）數據報告，該模塊主要包含數據明細表與數據匯總表，數據明細表主要展示各類消費數據，提供多維度查詢功能。數據匯總表主要負責數據的統計展示，以圖表等形式對數據進行可視化，方便管理人員對數據進行把控決策。

（7）消費統計模塊，該模塊主要負責展示消費記錄、充值記錄、退款記錄等詳細信息。管理員可以在此模塊查看到更詳細的消費、充值、退款數據，同時支持數據的導出功能，方便管理員下載數據，生成紙質報表以及后期的追蹤工作。

（8）支付管理，一卡通系統支持線下充值與線上充值兩種充值方式。其中，線上充值提供了支付寶充值與微信充值，支付管理模塊負責對每個機構的AppID、商戶ID、Key等關鍵支付信息進行管理。

為了方便用戶，系統提供移動端充值、刷卡以及消費查詢等功能。其中，移動端的充值主要是支付寶、微信、銀行卡三種充值方式。刷卡消費主要是二維碼支付，用戶通過展示二維碼，設備識別二維碼進行扣款。為了不受制于移動支付對支付寶以及微信的依賴，該二維碼由一卡通系統生成。同時，為了支持更多的移動終端，一卡通移動端通過HTML5進行訪問，用戶只需通過HTTP登錄即可進行刷卡消費。

以上為一卡通系統的關鍵功能模塊，每個模塊對機構有高度依賴，通過機構過濾查詢數據，每位管理員只能查看及操作本機構以及下屬機構的信息。其功能需求如圖2所示。

圖2 基于多機構管理的一卡通消費系統功能需求

5 一卡通系統硬件終端保障

基于多機構管理的一卡通消費系統在硬件方面主要集成了兩種類型的設備，分別實現了UDP與TCP兩種通信。為了提高系統可擴展性，采用工廠策略對設備接口進行統一管理。設備部分接口示意圖如圖3所示。

圖3 硬件設備終端接口示意圖

為了保障硬件設備通信可靠性，設備對通信包格式進行了規范。通信包的最大長度為1024字節，由識別碼、設備碼、地址碼、數據包長度、數據包及校驗碼組成，除數據包以外，其他部分均對其長度進行了限制，通信包最后的CRC16校驗碼[12]計算采用MODBUS標準[13]，初始值0xFFFF。詳細的通信包格式及說明如圖4所示。

圖4 通信包格式

在移動支付方面，移動終端登錄系統以后即可通過點擊二維碼支付，獲取支付二維碼。二維碼由卡號+開始時間+結束時間+校驗碼構成。其中，校驗碼同樣采用CRC16校驗，保證數據的完整性。支付二維碼示例如圖5所示。為支持更多移動終端，移動平臺無需安裝App，也不依賴于公眾號、微信小程序等第三方平臺。利用HTML5構建移動終端，可以利用http進行登錄，支持手機、平板、智能手環等移動終端。

圖5 支付二維碼示例

6 一卡通系統多機構管理

基于多機構管理的校園一卡通系統主要核心功能是解決多機構消費信息管理問題。其主要思想為通過機構過濾模塊，限定登錄賬號只能查看及操作本機構以及下屬機構的數據。每個機構管理員可以為其子機構設置管理賬號，為子機構管理賬號授予相應權限，實現子機構的獨立管理運作。同時，上級機構對下屬機構擁有管理權限，可以實現對所有子機構的權限授予以及數據操作。

基于多機構管理的校園一卡通系統在業務處理方面嚴格控制機構過濾，只允許登錄賬號的所在機構及其下屬機構數據通過，屏蔽兄弟機構及其上層機構數據，嚴禁訪問未經授權的機構數據。滿足多機構場景需求，特別是對經費有限的鄉鎮學校具有極大的幫助。基于多機構管理的校園一卡通系統示意圖如圖6所示。

圖6 基于多機構管理的校園一卡通系統

7 結語

近幾年，隨著信息技術的不斷發展，校園一卡通系統不斷完善，特別是隨著物聯網、大數據、云計算等新興技術的出現，一卡通系統逐漸發展為一個集數據分析、數據挖掘、數據治理等功能完善的龐大體系。但是，這些功能并不適應于資金有限、師生有限、學生年齡偏低的中小學，特別是在鄉鎮教育辦公室管轄下的中小學校。本文結合中小學一卡通建設及實際使用情況，分析中小學校園一卡通使用過程中暴露出的一系列問題，并提出行之有效的解決方案。利用Spring cloud微服務架構保證系統的安全穩定運行，同時提升了系統的可擴展性；利用支付二維碼改變支付方式單一的問題，擺脫對支付寶和微信支付的依賴；最后，利用多機構管理，實現上級機構對管轄學校的管控，滿足當前鄉鎮（街道）教育管理辦公室對所轄學校的消費數據管控需求。未來，以地級市教體局為頂層單位，滿足全市中小學用餐時段的并發操作將會是下一步研究的重點。