黃鎮(zhèn)建，陳泓昌

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，潮州521000）

0 引言

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是高?？茖W(xué)研究的承載體，是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也越來(lái)越受到高校的重視。如何適應(yīng)高等教育發(fā)展趨勢(shì)，提高大學(xué)生整體綜合素質(zhì)，是現(xiàn)階段亟待解決的一項(xiàng)問(wèn)題，要想收獲良好的教學(xué)成效，離不開(kāi)多元豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段的有力支持。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)在于“開(kāi)放”，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃，預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)卻十分困難，諸如預(yù)約管理制度、開(kāi)放時(shí)間，實(shí)驗(yàn)人員身份認(rèn)證等問(wèn)題，令國(guó)內(nèi)外高校十分頭痛。目前的門禁系統(tǒng)，大多是校園信息卡、指紋、人臉識(shí)別等，沒(méi)有辦法進(jìn)行預(yù)約，因此，非常有必要借助互聯(lián)網(wǎng)+的環(huán)境，利用信息和電子技術(shù)，采用瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S 模式）[1-2]，設(shè)計(jì)一個(gè)符合本校實(shí)際的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題，保障開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的有序運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

QR Code 碼，是由日本Denso 公司于1994 年9 月研制的一種矩陣二維碼符號(hào)，可通過(guò)圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理，是矩陣式二維條碼的典型代表[3]。本設(shè)計(jì)將根據(jù)用戶預(yù)約信息生成的二維碼當(dāng)作“鑰匙”，只有遇到正確的“鑰匙”，門禁端才會(huì)打開(kāi)門鎖，允許進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)主要由在線網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫(kù)和門禁端硬件設(shè)備兩部分組成，在線網(wǎng)站用于預(yù)約及生成二維碼，門禁端硬件設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)人員的身份認(rèn)證。其中門禁端硬件設(shè)備主要包括ESP8266 模塊和GM65 二維碼識(shí)別模塊，ESP8266 是一款超低功耗UART-WiFi 透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，系統(tǒng)的電路如圖1 所示。

圖1 電路圖

基于二維碼的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)室，其工作流程如圖2 所示。用戶訪問(wèn)網(wǎng)站，預(yù)約成功后，使用智能手機(jī)獲取門禁授權(quán)二維碼。用戶在預(yù)約時(shí)間到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)門禁端的二維碼識(shí)別模塊GM65 掃描手機(jī)二維碼，二維碼信息將通過(guò)ESP8266 模塊發(fā)送到服務(wù)器端，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)約信息進(jìn)行驗(yàn)證。最后，門禁端根據(jù)返回的驗(yàn)證結(jié)果判斷是否打開(kāi)由ESP8266 驅(qū)動(dòng)的門閘，同時(shí)OLED 顯示屏?xí)@示相應(yīng)的提示信息。如果預(yù)約二維碼信息正確，則OLED 顯示屏顯示“預(yù)約信息正確”，閘機(jī)打開(kāi)，如果二維碼信息錯(cuò)誤，顯示屏顯示“無(wú)此預(yù)約”。二維碼只能使用一次，成功掃碼后，服務(wù)器端會(huì)在預(yù)約記錄表中將進(jìn)入標(biāo)志位flag 置零，令該預(yù)約信息失效。用戶完成實(shí)驗(yàn)后，從另一側(cè)門禁掃碼離開(kāi)，這時(shí)只需判斷是否有該預(yù)約信息，標(biāo)志位flag 是否為零，系統(tǒng)記錄用戶離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室時(shí)間。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 線上網(wǎng)站

線上網(wǎng)站主要實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)登錄、提交預(yù)約、預(yù)約記錄、個(gè)人信息維護(hù)、以及實(shí)驗(yàn)室管理員審核預(yù)約等功能，網(wǎng)站功能結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。用戶登錄系統(tǒng)平臺(tái)，查看可開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室，選擇預(yù)約時(shí)間段，確認(rèn)預(yù)約信息后提交申請(qǐng)。實(shí)驗(yàn)室管理員登錄系統(tǒng)，根據(jù)申請(qǐng)人提交的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀等綜合情況，決定是否同意預(yù)約申請(qǐng)，如審核通過(guò)，用戶則獲得門禁授權(quán)二維碼；另外，實(shí)驗(yàn)室管理員還可根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)預(yù)約信息進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)的監(jiān)管、查詢和導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入記錄，當(dāng)出現(xiàn)預(yù)約爽約時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄，作為該用戶的預(yù)約優(yōu)先等級(jí)信用；最后實(shí)驗(yàn)室管理員還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的排課和使用情況，發(fā)布預(yù)約時(shí)間和信息。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 網(wǎng)站二維碼

網(wǎng)站選用靈活、輕便、安全的Flask 框架來(lái)實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)，它占用資源非常低，處理速度更快[4]。服務(wù)器使用的是阿里云服務(wù)器，運(yùn)行環(huán)境為CentOS+Python3+Gunicorn+Nginx[5-6]。網(wǎng)站支持手機(jī)瀏覽器、傳統(tǒng)PC Web 頁(yè)面兩種訪問(wèn)方式，用手機(jī)掃圖4 的二維碼可以直接登錄本系統(tǒng)的主頁(yè)進(jìn)行預(yù)約，使用起來(lái)非常方便。系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)計(jì)App，這樣可以避免下載安裝、占用手機(jī)內(nèi)存等諸多麻煩。用戶提交的預(yù)約申請(qǐng)中包含預(yù)約時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室管理員可通過(guò)這些信息和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用情況決定是否同意預(yù)約。如果實(shí)驗(yàn)室管理員同意預(yù)約，則服務(wù)器調(diào)用第三方庫(kù)qrcode 來(lái)生成二維碼，然后把生成的二維碼圖片文件名存入到用戶預(yù)約記錄表中record 字段中，當(dāng)用戶查看預(yù)約記錄時(shí)，前端頁(yè)面就會(huì)顯示相應(yīng)的二維碼圖片，二維碼信息包含用戶+預(yù)約實(shí)驗(yàn)室名稱+預(yù)約時(shí)間段三部分內(nèi)容，圖5 為手機(jī)瀏覽器獲取的二維碼，用戶憑該二維碼到預(yù)約實(shí)驗(yàn)室掃碼通過(guò)門禁。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)不但可以有效地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，而且還可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，以及有利于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和后期維護(hù)。結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際功能需求分析，設(shè)計(jì)了6 張表，這6 張表分別為管理員信息表、普通用戶信息表、預(yù)約記錄表、預(yù)約信息表、實(shí)驗(yàn)室信息表、系統(tǒng)消息表。管理員信息表（admin）用來(lái)存儲(chǔ)管理員的相關(guān)信息，普通用戶信息表（users）用來(lái)存儲(chǔ)普通用戶的相關(guān)信息。預(yù)約記錄表（book_record）用來(lái)存儲(chǔ)預(yù)約記錄的相關(guān)信息。如圖6 所示，id 字段是主鍵，具有唯一性，類型是integer 型，存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)在表中的序號(hào)。record 字段的約束為非空，類型為string 型，存儲(chǔ)的是用戶預(yù)約申請(qǐng)通過(guò)后，用來(lái)生成二維碼的信息。用戶在門禁端掃碼后傳過(guò)來(lái)的二維碼信息，就是要與record字段存儲(chǔ)的信息作比較，驗(yàn)證是否有這個(gè)預(yù)約。預(yù)約信息表（book_info）用來(lái)存儲(chǔ)普票用戶提交的預(yù)約申請(qǐng)的相關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)室信息表（lab_info）用來(lái)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息。系統(tǒng)消息表（sys_mess）用來(lái)存儲(chǔ)管理員發(fā)布的消息的相關(guān)信息。

圖5 系統(tǒng)生成的二維碼

圖6 預(yù)約記錄表

2.3 硬件設(shè)備

門禁端硬件設(shè)備主要包括ESP8266 模塊和GM65二維碼識(shí)別模塊，這部分在Arduino IDE 環(huán)境下進(jìn)行研發(fā)[7]。它們主要完成兩個(gè)功能：一是二維碼識(shí)別；二是在Wi-Fi 狀態(tài)下與服務(wù)器通信，將二維碼信息上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而控制門禁的開(kāi)關(guān)。

（1）門禁端識(shí)別二維碼信息

用戶預(yù)約成功后，就可以使用手機(jī)在預(yù)約記錄中得到一個(gè)包含預(yù)約信息的二維碼，按照預(yù)約的時(shí)間到達(dá)預(yù)約的實(shí)驗(yàn)室掃碼就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室門禁端使用GM65 二維碼識(shí)別模塊來(lái)識(shí)別二維碼的信息。GM65 掃描設(shè)備模塊功耗低，工作電流小于150mA，一體化設(shè)計(jì)，體積??；支持TTL232 和USB（中文免驅(qū)）接口；支持所有通用一維條碼及常用二維碼，可直接識(shí)別手機(jī)屏幕中的二維碼。將GM65 模塊與ESP8266 模塊通過(guò)串口通信方式連接，就可以把二維碼信息傳給ESP8266 模塊。

（2）門禁端與服務(wù)器進(jìn)行通信

門禁端識(shí)別二維碼后還得把二維碼信息上傳到網(wǎng)站服務(wù)器端進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)服務(wù)器端回傳的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)決定閘機(jī)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這就要使門禁端與網(wǎng)站服務(wù)器端之間能夠進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)使用HTTP 協(xié)議和ESP8266-12E 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的通信。ESP8266-12E 模塊是ESP8266-12 的增強(qiáng)版，支持HSPI、UART、I2C、I2S，不僅帶有Wi-Fi 模塊可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)還可以拓展外圍電路，控制相關(guān)外設(shè)。每個(gè)門禁端都是與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室綁定的，當(dāng)ESP8266-12E 模塊接收到GM65二維碼識(shí)別模塊傳過(guò)來(lái)的二維碼信息時(shí)，會(huì)在這個(gè)信息前加上當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的名稱，然后才會(huì)把這個(gè)合并后的信息通過(guò)HTTP 協(xié)議上傳到網(wǎng)站服務(wù)器端進(jìn)行驗(yàn)證。使用HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)這一通信的部分代碼如下所示：

add_data 為合并后的信息。ESP8266-12E 模塊通過(guò)post[8]方法將add_data 變量發(fā)送到網(wǎng)站的“/from_esp”這一URL，在這個(gè)URL 中會(huì)先對(duì)這個(gè)信息進(jìn)行編碼格式的轉(zhuǎn)換，因?yàn)槭褂肏TTP 協(xié)議上傳時(shí)原信息的編碼

格式已經(jīng)改變了。然后把a(bǔ)dd_data 變量中的信息拆分為合并前的樣子，即分為綁定的實(shí)驗(yàn)室名稱和二維碼信息這兩部分，然后就可以對(duì)二維碼信息進(jìn)行驗(yàn)證了。在數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)約記錄表中查找是否有這個(gè)二維碼信息的部分代碼如下所示：

（3）門禁端的響應(yīng)

門禁端是根據(jù)服務(wù)器端返回的驗(yàn)證結(jié)果而做出相應(yīng)的響應(yīng)的。在門禁端與服務(wù)器端之間定義一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議：R 表示預(yù)約信息正確，E 表示非預(yù)約時(shí)間，I 沒(méi)有這個(gè)預(yù)約，B 表示非預(yù)約實(shí)驗(yàn)室。網(wǎng)站服務(wù)器端返回的驗(yàn)證結(jié)果將存到flag 變量，即flag 變量的值為R、E、I、B 中的一個(gè)，ESP8266 模塊根據(jù)flag 的值決定是否打開(kāi)閘機(jī)以及驅(qū)動(dòng)oled 顯示屏顯示什么信息。門禁端響應(yīng)的部分代碼如下所示：

3 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于二維碼的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，能為實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放提供強(qiáng)有力的支撐，為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理提供一種新的思路，該系統(tǒng)具有：①多樣快捷的訪問(wèn)方式，支持手機(jī)瀏覽器、傳統(tǒng)Web 頁(yè)面兩種訪問(wèn)方式；②在線預(yù)約與門禁授權(quán)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約使用者身份的智能認(rèn)證；③實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室智能化監(jiān)管，門禁系統(tǒng)有效記錄開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室使用信息。本系統(tǒng)利用二維碼作為實(shí)驗(yàn)室授權(quán)使用的“鑰匙”，再結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約的在線管理，破解了進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的身份認(rèn)證難題。基于二維碼的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的使用，能夠使高校實(shí)驗(yàn)室在互聯(lián)網(wǎng)、智能裝備的引導(dǎo)下發(fā)生質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化、智能化管理，為高校師生的工作和學(xué)習(xí)提供更大的方便。