潘潔 趙翠芹 梁雪 閆列友 蔣聯(lián)周

摘要：在物聯(lián)網(wǎng)的春風(fēng)沐浴下，從低成本和低功耗出發(fā)，利用STM32芯片搭建一個(gè)智能打卡的考勤系統(tǒng)，幫助人們?cè)谙r(shí)如金的生活中快速解決上班、上課等的考勤問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；嵌入式技術(shù)；考勤系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0009-02

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)屬于典型的跨學(xué)科、跨平臺(tái)的交融學(xué)科，涉及軟件和硬件方面的綜合應(yīng)用知識(shí)。物聯(lián)網(wǎng)就是實(shí)現(xiàn)讓“物開口說話”，利用感知識(shí)別設(shè)備將物理世界的量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的信息量，然后通過無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)“萬物為一家，一網(wǎng)聯(lián)天下”的巨型網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一就是嵌入式技術(shù)，尤其是ARM架構(gòu)的嵌入式技術(shù)。嵌入式是一個(gè)狼煙四起的一個(gè)市場(chǎng)，各個(gè)企業(yè)之間的格局也在發(fā)生著巨大變化，是行業(yè)間的核心競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式技術(shù)是智能終端的風(fēng)向標(biāo)，是科技圈談?wù)摰慕裹c(diǎn)，也是主流市場(chǎng)。嵌入式ARM技術(shù)已經(jīng)“破繭成蝶”，并進(jìn)軍了智能設(shè)備市場(chǎng)，它借助智能設(shè)備平臺(tái)，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到99%的智能終端中，這些智能終端包括智能手機(jī)、Android設(shè)備、閱讀器、平板電腦iPhone和iPad等，目前，已經(jīng)有51 億枚 ARM 芯片用于智能終端。

隨著科技的進(jìn)步，尤其是像物聯(lián)網(wǎng)這樣的專業(yè)，需要學(xué)習(xí)的技術(shù)實(shí)在是太多，每一個(gè)技術(shù)寫出來就是卷帙浩繁的書籍，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及軟件知識(shí)和硬件知識(shí)，屬于雨露均沾的技術(shù)。硬件方面需要掌握51單片機(jī)系列、嵌入式STM32[1]和A8網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件PCB電路設(shè)計(jì)和原理圖；軟件方面需要從語言、操作系統(tǒng)、調(diào)試工具等方面的各種精通。這些技術(shù)有多種，除了看是否是受到開發(fā)者的青睞，還要考慮是否是業(yè)界所需。教師上課的50分鐘就顯得彌足珍貴。隨著高校學(xué)生擴(kuò)招的趨勢(shì)，百人上課已經(jīng)是司空見慣不足為奇，利用上課時(shí)間點(diǎn)名，必然會(huì)帶來耗時(shí)問題。遲到和逃課現(xiàn)象在每個(gè)學(xué)校都會(huì)發(fā)生，遲到會(huì)影響課堂秩序[2]。對(duì)于逃課，老師又不可能每堂課去點(diǎn)名，即使偶爾的點(diǎn)名也會(huì)出現(xiàn)關(guān)系好的同學(xué)幫答到的現(xiàn)象。這就形成了課時(shí)少，講解內(nèi)容多的矛盾。為了解決這一矛盾，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的考勤系統(tǒng)。CPU采用的是ARM Cortex-M7的STM32F767芯片，外設(shè)主要是DCMI接口的OV5640攝像頭、FSMC接口的TFT液晶屏和人體傳感器。STM32F767芯片的開發(fā)環(huán)境是在Keil uVision5，上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境是Visual Studio，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用的是SQL Server。手機(jī)端APP產(chǎn)生學(xué)生學(xué)號(hào)的二維碼，STM32F767外接人體傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有人接近時(shí)，打開OV5640攝像頭，掃描手機(jī)端的二維碼。STM32F767主控芯片識(shí)別二維碼，通過DMA方式把識(shí)別的二維碼數(shù)據(jù)發(fā)送到TFT液晶屏顯示出來，并通過USART串口發(fā)送到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫里，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行校對(duì)，最后通過語音播報(bào)的方式播報(bào)打卡信息。

2 系統(tǒng)總的功能模塊

考勤系統(tǒng)的總模塊包括硬件模塊和軟件模塊，如圖1所示。硬件模塊主要是STM32F767主控制器、OV5640攝像頭、TFT液晶顯示屏、人體傳感器和串口；軟件模塊包括前臺(tái)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫主要用來保存考勤學(xué)生信息相關(guān)信息，前臺(tái)主要是將考勤的信息通過用戶界面展示給任課教師，主要是實(shí)現(xiàn)串口監(jiān)測(cè)、串口數(shù)據(jù)獲取、考勤信息顯示和語言播報(bào)。

3 硬件模塊

硬件模塊如圖1所示。是基于RAM Cortex-M7架構(gòu)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編寫實(shí)現(xiàn)的。硬件資源主要有ATK-OV5640 攝像頭模塊、 TFT液晶屏模塊（RGB 屏、MCU 屏均可）、 LED小燈（DS0接PB1，DS1接PB2）、 按鍵（KEY0＼KEY1＼KEY2＼KEY_UP）、 IO 擴(kuò)展芯片 PCF8574、 蜂鳴器（連接在IO擴(kuò)展芯片PCF8574上） 和外部SDRAM，如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫操作和上位機(jī)用戶軟件設(shè)計(jì)。

4.1 硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)

硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)的環(huán)境是keil uvision5，主要是對(duì)硬件資源的驅(qū)動(dòng)。主要功能是對(duì)開啟攝像頭，并將攝像頭傳回的二維碼進(jìn)行解碼，解碼函數(shù)的原型為void qr_decode（u16 imagewidth，u16 *imagebuf），兩個(gè)參數(shù)是識(shí)別器的寬度和RGB圖像幀數(shù)據(jù)；攝像頭數(shù)據(jù)DMA接收完成中斷回調(diào)函數(shù)void qr_dcmi_rx_callback（void）；圖像顯示函數(shù)為void qr_show_image（u16 xoff，u16 yoff，u16 width，u16 height，u16 *imagebuf），其中參數(shù)為圖像顯示坐標(biāo)以及圖像的寬高以及RGB圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；人體傳感器處理函數(shù)void mansensor（）；圖像識(shí)函數(shù)atk_qr_decode（qr_img_width，qr_img_width，bmp，bartype， result），其中參數(shù)分別為要識(shí)別圖像的寬高以及要識(shí)別的條碼類型、內(nèi)存和識(shí)別結(jié)果；初始化識(shí)別庫函數(shù)u8 atk_qr_init（void）；識(shí)別結(jié)束函數(shù)void atk_qr_destroy（void）等。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要是通過IIC協(xié)議和SCCB協(xié)議進(jìn)行傳輸。

4.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)可以供上課考勤使用，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server。具有管理學(xué)生考勤信息情況功能。數(shù)據(jù)庫表主要包括學(xué)生信息表和學(xué)生考勤表。學(xué)生信息表用來存儲(chǔ)學(xué)生的詳細(xì)信息，表結(jié)構(gòu)如表1所示。學(xué)生考勤表用來存儲(chǔ)考勤學(xué)生相應(yīng)信息，表結(jié)構(gòu)如表2所示。

4.3 上位機(jī)前臺(tái)開發(fā)

該平臺(tái)建立在Visual Studio 2017軟件環(huán)境中，開發(fā)的語言是結(jié)合了c++和java優(yōu)勢(shì)的C#語言。軟件前臺(tái)使用C#語言。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是串口檢測(cè)、串口數(shù)據(jù)的獲取、考勤信息的顯示和語音播報(bào)。開發(fā)版供電時(shí)，上位機(jī)就會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)的串口，然后打開串口通道；當(dāng)開發(fā)版識(shí)別到二維碼數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送至上位機(jī)并顯示出來；獲取到串口數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)與后臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配成功，則會(huì)顯示出來，同時(shí)進(jìn)行語音播報(bào)。

軟件中提供了SerialPort類，該類實(shí)現(xiàn)了串口資源操作相關(guān)功能。命名空間為System.IO.Ports。程序代碼編寫過程中，首先用SerialPort（）構(gòu)造函數(shù)初始化SerialPort 類的新實(shí)例，接著SerialPort.GetPortNames（）函數(shù)獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)串行端口名稱數(shù)組，并配置串口參數(shù)。receiveComDataRun（）實(shí)現(xiàn)串口接收解析，用while循環(huán)等待，確保是從一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開頭開始接收。定義一個(gè)字符數(shù)組，用來存放串口接發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。為了避免重復(fù)考勤，需要過濾掉重復(fù)顯示。

串口接收后的數(shù)據(jù)需要存入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，需要加入System.Data.SqlClient、 System.Data.Sql和System.Data.Odbc這三個(gè)命名空間。建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象SqlConnection，告訴它做什么，走什么路徑。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫集ds，調(diào)用Fill方法，先去數(shù)據(jù)庫查找數(shù)據(jù)，并將打卡信息存入到數(shù)據(jù)庫中。對(duì)打卡成功的同學(xué)需要進(jìn)行語音播報(bào)，調(diào)用SpeechLib庫，創(chuàng)建一個(gè)SpeechVoiceSpeakFlags（）方法；創(chuàng)建了一個(gè)語音實(shí)例SpVoice（），可以對(duì)朗讀速度和音量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

學(xué)生手機(jī)上安裝一個(gè)二維碼生成器的APP，能輸入學(xué)生學(xué)號(hào)就能產(chǎn)生相應(yīng)的二維碼；開啟開發(fā)板和上位機(jī)。當(dāng)人體傳感器檢測(cè)到有人時(shí)，STM32開發(fā)板會(huì)開啟攝像頭；將二維碼對(duì)準(zhǔn)攝像頭進(jìn)行掃描，掃描成功后蜂鳴器會(huì)發(fā)出“嘀”的一聲；芯片獲取到二維碼圖像后會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理，即圖像預(yù)處理，包括圖像校正、二值化、去噪、找三個(gè)尋像圖形、根據(jù)尋像圖形中心確定旋轉(zhuǎn)角度再取樣網(wǎng)格，采樣數(shù)據(jù)，最后將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)矩陣再進(jìn)行解碼；將解碼后的結(jié)果顯示在LCD液晶屏左下方中，同時(shí)通過串口將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)；上位機(jī)將受到的數(shù)據(jù)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行校對(duì)，最終將結(jié)果顯示出來并且以語音形式播報(bào)出來；最后將以及考勤的學(xué)生的學(xué)號(hào)和打卡時(shí)間存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中。其結(jié)果如圖3所示。

6 總結(jié)

利用低成本低功耗的芯片搭建具有考勤功能的模塊。上課之前，學(xué)生只要掃掃考勤機(jī)上的二維碼，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)名。解決上課點(diǎn)名、上班打卡的費(fèi)時(shí)問題。手機(jī)打卡可有效避免此問題，因?yàn)榻?jīng)過服務(wù)器綁定后，每個(gè)人的手機(jī)就代表自己，如果你要想讓別人幫你打卡，那么你就必須將手機(jī)放在同學(xué)那里，一般沒人會(huì)這樣做，所以不會(huì)發(fā)生代打卡，人情答到現(xiàn)象。所以，手機(jī)打卡會(huì)在一定程度上起到促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的效果！

參考文獻(xiàn)：

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