張盛天 郭文俊

（山西大同大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院 山西省大同市 037009）

1 引言

本文以山西省大同大學(xué)復(fù)學(xué)為背景，在學(xué)校公寓缺乏智能硬件門禁設(shè)備的情況下，提出了基于敏捷開發(fā)和Django 技術(shù)框架的學(xué)生公寓門禁軟件開發(fā)方案，并在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了軟件的構(gòu)建和部署，成為了學(xué)校防疫的重要工具。

文章第2 節(jié)對(duì)敏捷開發(fā)思想和Django 框架技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出了其對(duì)本次系統(tǒng)開發(fā)的重要性；第3 節(jié)系統(tǒng)地介紹了敏捷開發(fā)下的軟件設(shè)計(jì)方案；第4 節(jié)是軟件的具體實(shí)現(xiàn)及相關(guān)功能的展示；第5 節(jié)提出了對(duì)系統(tǒng)的完善計(jì)劃；最后總結(jié)了該學(xué)生公寓門禁系統(tǒng)在疫情期間所起到的作用。

2 技術(shù)路線的選擇

由于留給項(xiàng)目實(shí)施的時(shí)間緊迫,傳統(tǒng)的基于文檔溝通的瀑布模型無法滿足項(xiàng)目快速開發(fā)部署的需求,更高效的開發(fā)模式在此應(yīng)用場(chǎng)景下被需要。敏捷開發(fā)是一種輕量級(jí)的開發(fā)模式，其強(qiáng)調(diào)與用戶面對(duì)面的溝通，通過迭代的方式，來盡快響應(yīng)用戶的需求[1]。同時(shí)，敏捷開發(fā)提倡使用輕量級(jí)軟件架構(gòu)，降低項(xiàng)目開發(fā)過程中的技術(shù)難度[2]。此外，敏捷開發(fā)支持項(xiàng)目小批量持續(xù)發(fā)布，在交付周期內(nèi)，軟件只需做到“剛剛好”的程度[3]。敏捷開發(fā)的迭代流程如圖1所示。敏捷開發(fā)的這些特點(diǎn)使其適合交付時(shí)間緊迫、需求不穩(wěn)定的小規(guī)模軟件項(xiàng)目，非常符合山西大同大學(xué)學(xué)生公寓門禁系統(tǒng)的開發(fā)場(chǎng)景。

Django 是Python語言下的一個(gè)開源、輕量級(jí)的Web 框架，采用了基于模型(Model)、視圖(View)和模板(Template)的MVT 軟件設(shè)計(jì)模式。其中，模型主要負(fù)責(zé)網(wǎng)站后臺(tái)數(shù)據(jù)層的相關(guān)處理；模板對(duì)應(yīng)后臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯處理;視圖實(shí)現(xiàn)了表現(xiàn)層的相關(guān)功能，其通過代碼邏輯控制網(wǎng)頁前端與后臺(tái)的交互[4]。MVT 軟件設(shè)計(jì)模式使得Django 具有高內(nèi)聚低耦合的特性，提升了軟件框架的穩(wěn)定性及處理效率[5]。除此之外，Django 采用ORM 對(duì)象關(guān)系映射，提高了數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)與交互的效率，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)庫的可選擇性[6]。鑒于Django框架所呈現(xiàn)的以上諸多優(yōu)點(diǎn)，其可作為本次項(xiàng)目開發(fā)的核心代碼框架，結(jié)合敏捷開發(fā)的軟件開發(fā)模式，使短期內(nèi)交付較高可用性的軟件項(xiàng)目成為可能。

3 敏捷開發(fā)下的軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)的需求分析

由于學(xué)校防疫策略的不斷變化，該系統(tǒng)的需求存在著不穩(wěn)定、變化快等特點(diǎn)，采用敏捷開發(fā)方式來周期性的收集需求成為更可靠的選擇。敏捷開發(fā)強(qiáng)調(diào)程序員團(tuán)隊(duì)與業(yè)務(wù)人員進(jìn)行緊密的協(xié)作、高頻率的面對(duì)面溝通，將人的交流作用發(fā)揮到最大，使得系統(tǒng)開發(fā)能夠快速適應(yīng)需求的變化[7]。整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)期間，與學(xué)校相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了三次周期性面對(duì)面溝通及多次電話交流，得到了系統(tǒng)所需的功能要求，如表1所示。

3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖1：敏捷開發(fā)的迭代流程

圖2：系統(tǒng)的迭代式架構(gòu)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)軟件開發(fā)不同的是，基于敏捷開發(fā)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)不是一成不變的，其隨著需求的周期性變化而不斷改變。在第一次迭代周期里，借助Django 的MVT 軟件設(shè)計(jì)模式及軟件重構(gòu)思想，設(shè)計(jì)出輕量級(jí)、強(qiáng)拓展的系統(tǒng)初始架構(gòu)。結(jié)合學(xué)校所提供的需求，在后續(xù)的兩次迭代周期里，拓展系統(tǒng)功能，不斷完善系統(tǒng)的架構(gòu)。系統(tǒng)的迭代式架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

經(jīng)過三次迭代周期后，最終的表現(xiàn)層模塊主要由身份識(shí)別入口頁面及學(xué)生信息頁組成。為了讓學(xué)生借助手機(jī)快速訪問到頁面，可將頁面網(wǎng)址轉(zhuǎn)化成二維碼，學(xué)生只需使用微信的掃碼功能，便可在微信內(nèi)置瀏覽器中打開相應(yīng)頁面。同時(shí)，為了避免其它瀏覽器所帶來的信息泄露問題，系統(tǒng)加入了瀏覽器userAgent 信息判斷，如果得到的userAgent 與微信信息不符，則禁止網(wǎng)頁打開，從而限制了頁面只能在微信內(nèi)置瀏覽器中打開。對(duì)于身份識(shí)別入口頁面，不同樓宇采用了不同的進(jìn)入接口，即不同的二維碼。學(xué)生在第一次掃碼進(jìn)入對(duì)應(yīng)樓宇頁面后，需提供自己的學(xué)號(hào)，系統(tǒng)通過與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，來判斷該生是否屬于所要進(jìn)入樓宇。如果識(shí)別通過，系統(tǒng)使用Cookie 機(jī)制將學(xué)號(hào)存于鍵值對(duì)中，并保存在微信的內(nèi)置瀏覽器里。借助Cookie 機(jī)制，以后學(xué)生進(jìn)公寓掃碼時(shí)，內(nèi)置瀏覽器會(huì)在發(fā)送給服務(wù)端的請(qǐng)求中附加對(duì)應(yīng)鍵值對(duì)信息，服務(wù)端通過讀取鍵值對(duì)的信息來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)身份識(shí)別[8]。身份識(shí)別通過后，頁面從身份識(shí)別入口頁跳轉(zhuǎn)至學(xué)生信息頁。學(xué)生信息頁展示了學(xué)生的姓名、學(xué)院、班級(jí)、宿舍號(hào)、頭像照片等內(nèi)容，以供宿舍管理人員察看。同時(shí)，在學(xué)生信息頁中可輸入體溫值，通過提交按鈕，將體溫值寫入到學(xué)生的基本信息中。如果身份識(shí)別不通過，頁面反饋提示信息，并停留在身份識(shí)別入口頁。

業(yè)務(wù)邏輯層模塊主要實(shí)現(xiàn)了身份識(shí)別判斷邏輯、數(shù)據(jù)訪問讀取邏輯、體溫?cái)?shù)據(jù)寫入邏輯及時(shí)間記錄邏輯。

數(shù)據(jù)處理層模塊采用Django 的ORM 對(duì)象關(guān)系映射，實(shí)現(xiàn)了與MYSQL 數(shù)據(jù)庫的交互。MYSQL 數(shù)據(jù)庫是開源免費(fèi)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，適用于小型數(shù)據(jù)庫的管理[9]。由于本次軟件項(xiàng)目所需數(shù)據(jù)規(guī)模僅有兩萬余條，采用MYSQL 數(shù)據(jù)庫足以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。

雖然學(xué)校采用了分年級(jí)、分批次的開學(xué)策略，但是在開學(xué)初期，學(xué)生便已分布于大多數(shù)學(xué)生公寓中，因此軟件系統(tǒng)需要部署于二十二個(gè)學(xué)生公寓中，系統(tǒng)的訪問量較大。為了保證系統(tǒng)的高并發(fā)性能，部署時(shí)可采用Nginx 和uWSGI 技術(shù)。uWSGI 作為系統(tǒng)部署的Web 服務(wù)器，可使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定；Nginx 作為反向代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，大幅度提升了系統(tǒng)的并發(fā)性能[10]。

表1：系統(tǒng)功能列表

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于敏捷開發(fā)思想，系統(tǒng)的開發(fā)也是經(jīng)過多次迭代周期后完成的。在第一次迭代周期中，由架構(gòu)師和開發(fā)人員搭建好系統(tǒng)的初始架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前迭代要完成的功能。在后續(xù)的迭代周期中，根據(jù)需求和架構(gòu)設(shè)計(jì)的變化，架構(gòu)師需對(duì)架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)維護(hù)，并由開發(fā)人員完成剩余功能代碼的編寫。除此之外，在敏捷開發(fā)中，系統(tǒng)的開發(fā)與測(cè)試沒有嚴(yán)格的邊界劃分，所以開發(fā)與測(cè)試工作可交叉同步進(jìn)行，以此進(jìn)一步加快系統(tǒng)實(shí)施的速率。

該系統(tǒng)的頁面采用了HTML5、CSS3、Javascript、JQuery 等主流前端技術(shù)。HTML5 具有離線存儲(chǔ)功能，如：Web Storage、Indexed DB、Application Cache 等，這些功能使得網(wǎng)頁擁有更短的響應(yīng)時(shí)間[11]。CSS3 提供了豐富的樣式屬性和動(dòng)畫效果，使得頁面的交互性、自適應(yīng)性得到大幅度提高[12]。前端與后臺(tái)的交互通過Javascript、Jquery 以及Ajax 來完成。Ajax 采用異步交互方式，使得用戶無需等待響應(yīng)，繼續(xù)其他的Web 交互，從而提高了頁面的交互能力[13]。以初次進(jìn)入頁面的身份識(shí)別前端邏輯為例，實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

系統(tǒng)后臺(tái)以Django 框架為基礎(chǔ)，借助MVT 軟件設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了頁面、業(yè)務(wù)處理邏輯以及數(shù)據(jù)庫之間的交互。系統(tǒng)部分運(yùn)行效果如圖3所示。

圖3（a）是學(xué)生用微信掃碼后，初次進(jìn)入身份識(shí)別頁面的效果。

圖3（b）為學(xué)生身份識(shí)別成功后，系統(tǒng)進(jìn)入的學(xué)生基本信息頁。該頁面除了體溫值可進(jìn)行重新編輯外，其余信息借助HTML 標(biāo)簽屬性限制，不可修改。

5 系統(tǒng)的完善計(jì)劃

系統(tǒng)投入使用后，所存在的最大問題是沉重的運(yùn)維工作?；诿艚蓍_發(fā)思想，該系統(tǒng)需要持續(xù)集成持續(xù)交付，其中所帶來的集成部署過程較為煩瑣，影響了整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)施進(jìn)度。為了提高運(yùn)維效率，項(xiàng)目可引入DevOps 技術(shù)。DevOps 集成了許多自動(dòng)化測(cè)試、自動(dòng)化部署以及項(xiàng)目管理工具，可很好的支持系統(tǒng)的持續(xù)集成持續(xù)交付[14]。DevOps 能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境以及生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)境高相似度，以此適應(yīng)系統(tǒng)的高變動(dòng)性、高可用性、高可靠性要求[15]。鑒于DevOps 所提供的諸多好處，計(jì)劃將在該系統(tǒng)開發(fā)的第四次迭代周期中引入DevOps。

6 結(jié)語

本文基于敏捷開發(fā)和Django 技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了適用于山西省大同大學(xué)復(fù)學(xué)場(chǎng)景的學(xué)生公寓防疫門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、頁面交互性良好，有效地減少了學(xué)生公寓管理人員的工作量，為學(xué)校防疫工作做出了貢獻(xiàn)。在后續(xù)的系統(tǒng)完善中，可將DevOps 技術(shù)引入到項(xiàng)目中，以此進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可用性、可靠性。