徐屹恒 丁當(dāng) 張昕楊

研究背景

目前中小學(xué)教師或課代表每天手工登記交作業(yè)情況、核查出沒(méi)有交作業(yè)的學(xué)生，耗時(shí)耗力，且容易發(fā)生差錯(cuò)而需要二次核實(shí)，部分科目的作業(yè)批改后還要人工登記作業(yè)成績(jī)等。人工收作業(yè)登記效率低下常常讓教師們苦惱。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題后，我們走訪了幾個(gè)小學(xué)、初中的教師，得知他們常常為找出誰(shuí)沒(méi)交作業(yè)而花費(fèi)大量時(shí)間。因此，開發(fā)一套提高作業(yè)情況登記效率和記錄分析作業(yè)成績(jī)等第的系統(tǒng)是非常有意義的。

研究思路

圖書館的圖書借還系統(tǒng)給了我們靈感，該系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。每本書里都有電子標(biāo)簽，當(dāng)把圖書放置在操作臺(tái)上時(shí)，RFID讀卡器便能識(shí)別一疊借/還的圖書，一兩秒時(shí)間操作屏幕上就能顯示書目列表。系統(tǒng)自動(dòng)與圖書館數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)圖書的借/還記錄。借鑒這個(gè)思路，我們研發(fā)了一套基于RFID技術(shù)的作業(yè)快速收評(píng)系統(tǒng)，在每本作業(yè)上都貼上電子標(biāo)簽，教師收完作業(yè)，把本子放在操作臺(tái)上，系統(tǒng)就能自動(dòng)讀取出哪些同學(xué)交了作業(yè)，再和數(shù)據(jù)庫(kù)中學(xué)生信息比對(duì)，沒(méi)交作業(yè)的學(xué)生清單便立刻顯示在屏幕上。

研究方案

為了實(shí)現(xiàn)基于RFID的作業(yè)收交，我們首先需要從RFID的工作原理、RFID的種類、RFID標(biāo)簽的價(jià)格研究項(xiàng)目的可行性。確定了基于RFID作業(yè)收評(píng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能，接著我們采購(gòu)RFID讀寫器和標(biāo)簽，研究讀寫器的功能和標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫方法，調(diào)測(cè)RFID和電腦連接的軟件代碼。硬件調(diào)試成功后，按照制定的軟件功能，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成客戶端、服務(wù)器端程序的編寫。

研究過(guò)程

在每個(gè)作業(yè)本上貼上有學(xué)生信息的RFID標(biāo)簽，在客戶端控制超高頻RFID讀寫模塊，同時(shí)讀取一疊作業(yè)本信息，并將讀取到的信息寫入服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)，教師還可選擇寫入作業(yè)成績(jī)功能將作業(yè)等第寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。教師、家長(zhǎng)、學(xué)生可以訪問(wèn)服務(wù)器端，獲取未交作業(yè)學(xué)生名單、作業(yè)評(píng)分等信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用廣泛用于嵌入式設(shè)備的輕量型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，客戶端和服務(wù)器端軟件都采用Python語(yǔ)言進(jìn)行編程。

圖1為系統(tǒng)軟件功能及實(shí)現(xiàn)方法的思維導(dǎo)圖。通過(guò)此圖，我們明確了收作業(yè)客戶端、Web查詢客戶端和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的功能和相互之間的關(guān)系，明確了系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的用戶界面、數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容和要實(shí)現(xiàn)的軟件功能。

RFID選型

每個(gè)作業(yè)本上都需粘貼標(biāo)簽，因此標(biāo)簽必須為無(wú)源型的而且要小，同時(shí)成本要低;另外基于作業(yè)快速收交的需求，系統(tǒng)需要使用具有高速地多重標(biāo)簽識(shí)別功能的RFID識(shí)讀器。通過(guò)查閱資料，我們采購(gòu)了超高頻RFID讀寫器UHFReader188和超高頻RFID標(biāo)簽。

外殼制作

為了保護(hù)RFID讀寫器并方便堆放作業(yè)本，我們?yōu)镽FID讀寫器制作了外殼。外殼采用椴木板，在makercase網(wǎng)站上輸入外殼尺寸生成設(shè)計(jì)圖紙，由激光切割機(jī)切割，用熱熔膠粘合成型。

RFID標(biāo)簽學(xué)生信息寫入

本系統(tǒng)設(shè)置學(xué)號(hào)為“入學(xué)年份+班級(jí)號(hào)+學(xué)號(hào)”，如20170301為2017年入學(xué)的3班1號(hào)學(xué)生。在標(biāo)簽中不設(shè)置科目信息，是為了方便標(biāo)簽重復(fù)利用。把RFID讀寫器連接到電腦串口，用讀寫器軟件設(shè)置正確串口號(hào)，打開所連接的串口，然后將標(biāo)簽逐一放到RFID讀寫器上，使用RFID讀寫器自帶的軟件對(duì)標(biāo)簽編碼進(jìn)行改寫。如果電腦沒(méi)有串口，可采用串口轉(zhuǎn)USB線將讀寫器連接至電腦USB口。

RFID讀寫器串口調(diào)試

本項(xiàng)目用到的串口命令有：打開串口、向RFID讀寫器發(fā)送讀取標(biāo)簽命令、接收串口數(shù)據(jù)、關(guān)閉串口。

打開串口、接收串口數(shù)據(jù)、關(guān)閉串口

調(diào)用Python中pyserial模塊的語(yǔ)句。

·打開串口：ser=serial.Serial（ser=serial.Serial（port=comport，baudrate=57600，bytesize=8，parity='N'，stopbits=1，timeout=10》。經(jīng)過(guò)測(cè)試，超時(shí)參數(shù)設(shè)為10秒能穩(wěn)定讀出32個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

·接收數(shù)據(jù)：ser.read（20480）。20480表示緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)。

·關(guān)閉串口：ser.close（）

向讀寫器發(fā)送讀取標(biāo)簽的命令需按照RFID串口協(xié)議，向讀寫器發(fā)送一串十六進(jìn)制命令代碼。Python語(yǔ)句為：

d=bytearray.fromhex（06 FF 01 05 01 2F FB）

ser.write（d）

發(fā)送了詢查命令后，使用語(yǔ)句：c=ser.read（20480），將RFID讀寫器應(yīng)答的一串十六進(jìn)制數(shù)據(jù)讀到列表c，最后對(duì)讀到的串口數(shù)據(jù)c進(jìn)行解析，分離出本次讀取到的學(xué)號(hào)信息并排序。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用soLlite數(shù)據(jù)庫(kù)。它能夠支持Windows、Linux、Unix等主流操作系統(tǒng)，同時(shí)能夠跟很多程序語(yǔ)言相結(jié)合。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是2個(gè)數(shù)據(jù)表學(xué)生信息表（記錄學(xué)生基本信息），以及提交作業(yè)的信息表。

用戶界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的用戶界面有收作業(yè)客戶端用戶界面和Web查詢客戶端用戶界面。收作業(yè)客戶端用戶界面采用Python tkinter設(shè)計(jì)，使用了Menu組件、Button組件、OptionMenu組件、ListView組件等。Web查詢客戶端用戶界面采用PYthon flask實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lask是Python中的一個(gè)微型Web開發(fā)框架。

軟件實(shí)現(xiàn)

收作業(yè)客戶端基于Windows下Python2.7+pyserrial模塊開發(fā)，并采用Python內(nèi)置組件包tkinter實(shí)現(xiàn)圖形界面，實(shí)現(xiàn)串口初始化、RFID數(shù)據(jù)讀取和解析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)提交、數(shù)據(jù)清除等功能。收作業(yè)客戶端將作業(yè)數(shù)據(jù)提交到soLite數(shù)據(jù)庫(kù)里。軟件流程如圖2所示。

服務(wù)器端軟件采用Python的flask框架實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易的WebServer，提供了單日作業(yè)統(tǒng)計(jì)、個(gè)人作業(yè)情況匯總、平時(shí)作業(yè)總評(píng)等功能。flask框架提供了webserver的基本架構(gòu)，只需要增加相應(yīng)的模塊和頁(yè)面模板，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。每個(gè)模塊獲取用戶的請(qǐng)求，分析需要實(shí)現(xiàn)的功能，從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出滿足條件的數(shù)據(jù)，利用模板構(gòu)造相應(yīng)的頁(yè)面，返回給客戶端瀏覽器。

研究結(jié)果

基于RFID的作業(yè)快速收評(píng)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于能快速、同時(shí)、準(zhǔn)確讀取一疊作業(yè)本信息。此功能采用了高速多重識(shí)別標(biāo)簽、性能卓越的超高頻RFID讀寫器，精心調(diào)整相關(guān)串口參數(shù)，使其能穩(wěn)定可靠地同時(shí)讀人多本作業(yè)信息。

教師可在批改時(shí)將作業(yè)本根據(jù)作業(yè)等第分開擺放，最后將作業(yè)等第相同的學(xué)生信息和等第信息一起由收作業(yè)客戶端讀人數(shù)據(jù)庫(kù)。每天單個(gè)班級(jí)一項(xiàng)作業(yè)情況登記和成績(jī)等第登記的工作時(shí)長(zhǎng)由10～20分鐘縮短至1～2分鐘。

系統(tǒng)還具有自動(dòng)計(jì)算學(xué)期作業(yè)成績(jī)總評(píng)分的功能，能客觀公正評(píng)價(jià)學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)情況。另外，Web查詢頁(yè)面還提供了單個(gè)學(xué)生的某段時(shí)間內(nèi)作業(yè)情況分析功能，方便督促學(xué)生提高作業(yè)質(zhì)量。

本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于中小學(xué)，將教師、課代表每日統(tǒng)計(jì)交作業(yè)情況的工作量大大降低。另外根據(jù)教育減負(fù)的要求，中小學(xué)作業(yè)成績(jī)都采用等第制，本系統(tǒng)方便將成績(jī)等第信息化，使作業(yè)等第數(shù)據(jù)具有后續(xù)分析價(jià)值。本系統(tǒng)在班級(jí)中進(jìn)行了試用，得到了教師的好評(píng)，具有很好的推廣價(jià)值。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

項(xiàng)目基于RFID技術(shù)開發(fā)了一套作業(yè)快速收評(píng)系統(tǒng)，制作了相應(yīng)的實(shí)物裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確讀入作業(yè)本信息功能，解決了學(xué)生作業(yè)收集評(píng)價(jià)效率低的問(wèn)題。項(xiàng)目源自生活，方案合理，構(gòu)思新穎，符合中學(xué)生創(chuàng)新的特點(diǎn)，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。建議進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和適用性，并在學(xué)校推廣使用。