基于WiFi探针的智能考勤系统设计_李坤.pdf

科技视界Science&Technology VisionDOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.08基于 WiFi 探针的智能考勤系统设计李坤李鑫边玉超（北京农业职业学院，北京102442）【摘要】课 堂 考 勤是职业教育 的一 项重 要 工作，可 以 引 导 学生 养 成 优 良 的 行 为 作 风，培 养 企 业 需 求 的 高 素 质 劳 动者。传 统的 互 动 式签 到占用课 时影 响 教学，也 不适 于 合班 课、公 共 课，使 用 手 机MAC地 址 作 为 签 到 依 据 是 其 中 一 个 研究 方向。本文提 出 一种 不影 响MAC地 址 防 护措 施 的智 能 考 勤 系 统，在 教 室布 置WiFi探 针 获取 附 近 手机MAC地址 进行自动 签 到。考 勤系统基 于 微信小程 序 实现 跨平 台、免 安 装 的轻 量 化开 发，可以 完 成 学 生 课堂 智能签 到、教师 考 勤管 理 等功能。【关 键词】WiFi探 针；MAC地 址防护；课 堂 考勤 系 统；微 信 小 程 序0引言“立德树人”是教育的根本任务，高校不仅要传授知识，还要引导学生树立正确道德观念。而职业教育培养的目的是技能型人才及高素质劳动者，对于企业而言专业技能还可以后续培养，但诚实守信、踏实肯干的品质更加珍贵。有效的课堂考勤管理使授课教师能及时发现教学中存在的问题，针对性的引导学生提高其自控能力，让学生在步入社会前养成知规守纪的行为作风。有助于加强学院的学风建设，也为教务系统及学工管理提供参考依据。传统的点名签到方式往往要花费不少时间，影响教学进程，课堂人数众多的合班课、公共课等也不适用。在智能手机普及的今天，人不离机已是常态，利用智能手机作为考勤的识别设备显然是不错的选择。在以往技术的运用中，大多数考勤系统使用手机端 App 与考勤系统进行交互作为签到工作方式，这种签到方式容易通过传递签到认证码、破解 App 软件、使用模拟定位软件等方法蒙蔽考勤系统，使用效果大受影响。考虑到智能手机的MAC 地址具有唯一的标识性，在教室布置 WiFi 探针捕获在场手机的 MAC 地址，从而完成自动签到是一种可行的方式。近年来各大移动设备厂商纷纷升级其系统功能，加入了 MAC 地址的防护措施，封堵了非法获取MAC 的漏洞，WiFi 探针技术的正面作用也被极大消弱1。本文基于手机 MAC 地址的唯一性，利用 WiFi 探针技术，在不影响 MAC 地址防护措施的情况下设计了一款微信小程序课堂考勤智能签到系统。该考勤系统不仅可用于高校，也可用于企事业单位的考勤，具有硬件投入成本低、签到准确度高、作弊困难、使用方便的特点。1课堂考勤系统设计方案考勤系统需在教室布置 MAC 地址采集并上传数据的硬件设备，以微信小程序作为签到系统软件开发平台。具体软硬件设计方案涉及以下几部分：作 者 简介：李 坤，硕士，实践 指 导 教师。新技术应用028Science&Technology Vision科技视界1.1WiFi探针原理与防范措施手机使用的无线网络通讯遵循 IEEE802.11 协议集，在网络通信中，数据被封装成了一个个帧（Frame）。数据帧有多种类型，当手机在 WiFi 功能开启时（与是否已接入无线网络无关），会周期性主动发送搜索附近无线AP 热点的探查请求帧（Probe Request），当无线 AP 热点接收到探查请求帧后，会对手机发送探查应答帧（ProbeResponse）。探查请求帧包含本机的 MAC 地址作为发送源地址，可被 WiFi 探针捕获并进行大数据匹配，有可能匹配到用户姓名、手机号、住址、行动轨迹等敏感信息，导致用户隐私泄露。在手机启用 MAC 地址防护措施后，手机在每次搜索 AP 热点发送探查请求帧时，源 MAC 地址均随机产生，即使被探针采集到也无法进行大数据匹配，防止了用户隐私泄露。当手机连接到某 AP 热点时，其传输数据帧包含的本机 MAC 地址也可被 WiFi 探针捕获。启用 MAC 地址防护措施时，手机在首次连接 AP 热点时生成随机 MAC 地址进行接入。由于路由接入策略限制，部分 AP 热点不仅要求密码验证，还进行接入设备 MAC 地址验证。为保持网络兼容性，手机系统接入同一个 SSID（无线网络名）的 MAC 地址不变。因手机连接不同 SSID 的 MAC 地址随机产生，也基本失去了大数据匹配的意义。1.2考勤系统WiFi探针采集模式考勤系统需要获得用户手机的 MAC 地址信息作为签到依据。在各大厂商的手机系统均启用 MAC 地址防护措施的大环境下，探查请求帧的随机 MAC 地址已和用户身份毫无关联，无法被考勤系统使用。而手机与接入同一 SSID 的 MAC 地址不变，可作为用户签到依据。考勤系统需在教室建立受限 AP 热点（仅提供 WLAN 连接，不提供互联网服务）以供用户连接，通过 WiFi探针扫描用户连接指定 SSID 所产生的 MAC 地址。但在用户再次进入 AP 热点范围后，手机会自动连接此SSID 导致原 5G/WLAN 网络切换，造成手机短时断网，影响手机正常使用。为避免网络切换，考勤系统设计了以下连接方式：在首次成功连接 AP 热点，手机系统记录下此 SSID 及密码后，启用 AP 热点的 MAC 地址过滤白名单功能（仅允许名单内设备接入）以阻止手机再次连接。当白名单为空时，实际连接过程如下：（1）AP 热点发送广播帧宣告 SSID 以供连接；（2）手机接收到 AP 热点的广播帧，对比系统记录后，自动连接此 SSID；（3）手机向 AP 热点发送管理帧 Authentication（身份验证）连接请求，其包含本机之前使用的 MAC 地址；（4）AP 热点接收到连接请求，但 MAC 白名单内无此手机 MAC，连接中止；（5）手机未收到密码验证握手协议，等待一段时间后重新发送管理帧 Authentication（身份验证）连接请求。以上过程中手机发起的管理帧 Authentication（身份验证）连接请求可被 WiFi 探针捕捉到。通过此方式可以达成手机不断网提取 MAC 地址的功能需求。而手机系统在 AP 热点首次连接成功时记录 SSID、密码、产生的MAC 地址，并启用自动连接功能。故考勤系统需在用户首次连接 AP 热点时关闭 MAC 地址过滤白名单功能。1.3系统开发环境的选择微信作为一款网络社交软件在学生群体有着非常高的使用率，其发布的小程序功能有着体积小、免安装的特点，使我们的生活变得更加方便快捷。本考勤系统选择微信小程序作为开发环境，实现了安卓和 iOS 客户端跨平台运行。其推出的云开发模式，弱化后端及运维概念，提供了云存储、云数据库、云函数功能，简化了域名/服务器备案过程，节省了架设、运维服务器的成本2。2课堂考勤系统的实现2.1终端采集设备硬件组成WiFi 探针功能可由软件或硬件实现，本系统采用专用探针模块，模块使用 ESP-8266 M2 为核心，使用串口输出采集数据，数据包括源 MAC、目的 MAC、帧类型、帧子类型、信道、信号强度信息。探针采集数据如图 1 所示。终端采集设备具有建立 AP 热点、WiFi 探针采集及数据上传功能，依照 WiFi 信号覆盖范围，可几个相邻教新技术应用029科技视界Science&Technology Vision室共用一个终端，布置位置需提供电源及互联网接入端口。本系统终端选用 Raspberry Pi（树莓派）开发板作为硬件开发平台，具有体积小、成本低、接口丰富、开源项目成熟的优点。其 3B+/4B 版本配有以太网接口、2.4G/5G 无线网络模块、2 个通信串口作为本考勤系统必备接口。终端选用以太网接口作为因特网上联端口，可采用 POE 供电方式简化工程布线。将从串口接收的探针采集数据筛选出管理帧 Authentication（身份验证）信息条目，经除重后添加采集时间、终端设备编号等信息上传到微信小程序云端开发平台。并选用 2.4G 无线网络模块建立 AP 热点，依据云端设定开/闭白名单MAC 地址过滤。树莓派内嵌 Python 开发环境，可通过发送 POST 请求方式与微信小程序云服务进行数据交互。数据以 JSON 字符串形式发送，同时小程序云数据库也以 JSON 数据形式进行存储，数据收发代码简洁，运行稳定3。2.2考勤系统软件的设计2.2.1考勤系统数据库设计为了区分用户权限，方便管理维护，降低数据库 I/O，共设计了 7 个数据集合，关键信息如表 1 所示。表1考勤系统数据集合信息表2.2.2考勤系统前端设计微信小程序前端依据获取的微信 ID 分别进入学生、教师、教务管理人员的不同界面。（1）登录管理进入微信小程序后，首先获取微信 ID，查询云数据库用户信息此用户是否验证身份。若未验证身份则引导用户填写个人信息，同数据库人员名单对比，验证后更新用户信息。因考勤系统需获取用户微信ID 及 MAC 地址等信息，在注册前要向用户进行隐私获取声明，同意后才可进行人员绑定。登录管理功能如图 2 所示。（2）学生管理学生管理界面可进行考勤查询、请假、信息维护等操作，其中 MAC 地址变更功能有次数限制。学生管理功能如图 3 所示。（3）教师管理功能教师界面可进行查询/导出考勤表、病事假批假、代签审批、WiFi 连接等。学生在首次连接考勤系统 AP 热点时，可由教师申请短时关闭 MAC 地图1探针输出数据图2登陆管理功能新技术应用030Science&Technology Vision科技视界址过滤白名单。教师管理功能如图 4 所示。图3学生管理功能图4教师管理功能（4）教务管理功能教务管理界面可进行人员信息、课程信息、终端信息的维护，并监控终端采集设备工作状态。教务管理功能如图 5 所示。2.3考勤系统运行效果教室内采集终端会自动获取在场学生 MAC 地址并上传到微信小程序云数据库。小程序云函数自动调用当天课程、上课时间、班级等信息生成课程签到表，同时查询 MAC 地址上传数据，更新学生签到状态，达到自动签到的目的。有着不受人数限制、不占用课时、难以破解的特点。用户根据教师、学生和管理者类别进行请假、准假/代签，考勤查询与系统维护等工作。3结语WiFi 探针技术起初被用作人员密集度分析、空间定位等方面应用，不涉及用户隐私。直到大数据分析技术的逐渐成熟，以及社会上大量用户数据被非法售卖，这就造成了 WiFi 探针技术成为了非法获取用户行动轨迹、投放骚扰广告等行为的帮凶。从法律层面限制用户数据非法售卖起效缓慢，由移动设备厂商通过升级系统功能，在手机端封堵 MAC 地址扫描漏洞效果显著，但此方式也导致合法的 WiFi 探针应用被严重影响。本文旨在探索不影响现有 MAC 地址防护措施的 WiFi 探针技术应用方法，并设计出一种基于 WiFi 探针的智能考勤系统，通过在教室布置 WiFi 探针获取附近手机 MAC 地址，达成智能签到的效果。【参考文献】1胡大伟.WiFi探针盒子的原理及防范措施研究J.科技创新，2020（2）：2.2王可，林雨晨，刘嘉慧，等.基于微信小程序和人脸识别的教学考勤系统研究J.信息系统工程，2020（1）：135-136.3杨杰，李庆杰.基于微信小程序云服务与树莓派开发线上监控设备的研究J.电子质量，2019（11）：45-49.图5教务管理功能新技术应用031