《教学综合管理系统》

山西大学软件学院李东立

【摘要】目前市场上的大多数指纹考勤机都不具备实时性，在导入数据，查看数据，导出数据等方面需要耗费管理员很大的时间和精力，这不符合这个时代解决问题所要求的高效性。虽然购买企业级考勤管理系统可以在一定程度上解决这些问题，但是这不仅需要花费大量资金，更重要的是不符合学生与老师之间相互的特定需求。所以我决定要做一个具备实时性、高效性，一个集签到、缴费、学生管理、课程管理为一体的，针对市场特定人群受体的定制化产品。学生可以指纹打卡签到，查看课程信息，老师可以接收实时签到信息，查看缴费信息。

【关键词】指纹打卡，收发短信、实时

引言：通过对学校周边一些教育培训机构的实地调研，我发现这些机构的考勤系统虽然也是利用指纹机进行签到打卡的，但是无一例外，都会需要特定的管理员去查看并整理签到信息，才能得到各学员的出勤信息，这样做其实很不方便，浪费了大量的时间成本和人力成本，更重要的是不具备实时性。

一、框架设计

1、硬件与软件的权衡

首先我想解决的是一般指纹打卡机的效率问题，就是不需要把指纹打卡机拆下来通过数据线连接到电脑上，然后将数据进行传输导入，管理员再逐个审核查看等繁琐的步骤。所以我面临的第一个问题就是如何实时接收签到信息。经过一段时间的思考，我觉得接收到一条具备实时性的通知短信是个挺不错的方法，那么一些硬件模块就可以发挥它自身的长处了。当与手机联系起来的时候，那么传输数据就成了接下来我所要面临的问题了——用什么来将硬件模块与手机联系起来呢？我第一时间想到的便是用一根数据传输线将二者连接起来，但这样又回到了起初那个问题上面，数据线是一个极其麻烦的存在，那么无线传输技术就很好的解决了这个问题。

此时我已经初步将手机和硬件模块联系了起来，意思就是短信已经可以顺利的发送到手机上了。当然，采集用户指纹特征并将其转化为数据上传保存是必不可少的，那么这个指纹打卡设备能显示当前时间、指纹录入成功或失败、签到成功或失败就是一项非常重要的功能，由此来看，硬件系统的初步功能就诞生了。

为了将硬件设备的功能发挥的淋漓尽致，那么一款合适的软件势必在其中充当衔接段统治级别的作用，软件的研发也就自然而然的纳入了此次项目的未来规划之中。

2、项目架构

整个项目是基于硬件设备之上的，同时软件的加入又为此项目增添了不少色彩，所以软硬兼施为我的团队在此次科研训练项目中定下了基调。明确了这个问题之后，软件的自身定位对我而言就是一个比较犹豫的问题：到底是做一款PC端的软件与数据库连接起来呢，还是做一款手机上的软件体现“极简主义”呢？考虑到以下几个因素：一是项目体现实时性是通过短信发送的方式实现的，而短信发送到手机上是比较容易查看的；二是之前已经做过一个PC端的学生信息管理系统了，这次想尝试新东西。所以抱着“挑战自我，直面困难”的良好心态，我们选择了之前从未接触过的手机端应用程序作为本次项目的“软实力”。

二、硬件实施

1、实现短信发送功能

我选择了SIM900A硬件模块，它是实现短信收发甚至打接电话的一个不错的选择。在调试的过程中，我选择了基于STM32F10VBT6开发板上进行。我将阐述大致的调试过程：

将模块的VCC、GND与开发板的VCC、GND相连，电压要看模块的使用手册（我这里的接通电压是5V）；
将模块的RXD、TXD分别与开发板的TXD、RXD相接，注意一般为反接（我这里的开发板设计的为正接）；
将带有话费的手机卡装入SIM卡槽；
接通电源之后，模块在寻找到信号之前的指示灯闪烁频率是每秒2次，找到信号之后指示灯闪烁频率变为每秒一次；
打开串口调试工具（选择端口、波特率）或三网通软件，用AT指令测试通信是否成功，成功之后进一步输入拨打电话、收发短信的调试功能；
还可以将模块的功能程序烧到STM32单片机中进行单机调试。

2、实现传输数据功能

我选择了蓝牙ATK-HC05-V11模块实现手机端与硬件端的数据传输，此模块的调试十分简单，将引脚的VCC、GND接到STM32的VCC和GND上，接通STM32的电源，打开电脑端的串口调试工具，输入AT指令进行调试（此过程可更改模块默认名称，设置密码，设置连接设备），回复OK时证明完成通信。手机端在安卓应用市场下载“蓝牙串口调试助手”后打开蓝牙，当检测到重命名的蓝牙信号时，证明调试成功；这里也可以使用我研发的手机APP来实现互连。

3、实现指纹录取功能

我选择了带内存的指纹识别模块，可将录好的指纹信息上传到自身的内存芯片中。这里我将阐述实现指纹识别功能的大致过程：首先将此模块按正确的接法接入到STM32板中，之后打开测试工具；选择通讯口及波特率修改后就可以添加指纹了，然后通“指纹1:1比对”，“指纹1：N比对”对添加的指纹进行验证；之后进行“采集指纹图像”、“取特定用户特征值”、“采集指纹特征值”，将数据信息上传到内置存储芯片中；接着对两组指纹进行比对，验证是否为同一用户；考虑到模块一次性可以录取多少组指纹，用户分别是谁以及安全性等问题，我分别通过“取用户信息”、“取模块总容量及用户总数”、“设置模块安全等级”等测试步骤对其做出多样化调试，完成此结构块的功能化实现。

4、实现菜单显示功能

我选择了JLX12864G-086型液晶显示模块，它既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通图像型的单色图片功能），又含有JLX-GB2312字库IC，可以从字库IC中读出内置字库的点阵数据写入到LCD驱动IC中，以达到显示汉字的目的。具体的想法是能够在整个硬件模块上面显示简单的功能提示，为硬件提供一个透明化窗口，让用户根据屏幕上的提示完成基本操作，实现指纹录入、发送短信到、接收电话号码的设置以及一个当前时间的显示。在调试过程中，JLX12864G-086型液晶显示模块有12个引脚，根据STM32开发板的接线方式分别将ROM_IN（接PA7/SPI1_MOSI）、ROM_OUT（接PA6/SPI1_MISO）、ROM_SCK（接PA5/SPI1_SCK）、ROM_CS（接PA4/SPI1_NSS）、LEDA（接LED6）、VSS（接GND）、VDD（接VCC）、SCK（PB6/I2C1_SCL）、SDA（PB7/I2C1_SDA）、RS、RST、CS（这三个可接IO端任意三个接线柱，但要在硬件程序中特别声明）。

三、软件实施

1、Android开发

软以Android Studio为开发平台，Java为开发语言，构建手机APP项目工程，用H5语言进行界面结构布局。完成了以“Fingerprint”命名的手机APP应用程序开发。

2、软件界面

软件的初步定位设想是不通过应用市场的“蓝牙调试工具”显示蓝牙连接成功，通俗点讲就是不仅可以通过内嵌接口打开手机端的蓝牙功能，而且能够被硬件的蓝牙模块识别到本机，从而进行互联；其次内嵌按钮与硬件实现通信，通过定制专属按键实现短信一键发送至手机端的功能。在祖逖框架定位完成后，本APP名称暂定设置为我自己的名字，添加了“联系客服”、“检查更新”、“五星好评”、“帮助说明”等功能模块，完善一个软件的边缘化功能，增加用户体验性。

3、“串口调试”应用程序

在调试这些相关硬件模块的过程中，我发现每一个模块都需要配套专门的串口调试工具来调试，虽说模块少可以采用这样的方式，但是考虑到后续功能的延展以及最终模块结合起来的相互配合调试，这些工具都很难发挥到想要达到的效果，于是我以Qt为开发平台，C++为开发语言，写了一个集“串口通信”、“串口调试”为一体的应用程序，实现对整个硬件的组合调试功能。同时还增加了“流水灯”、“蜂鸣器”、“短信收发”、“LCD12864”、“红外热释电”等外设控制以及时间显示、矩阵键盘等功能。

四、综合管理

所有硬件模块调试通过之后基于STM32开发板组装到一块，连通综合“串口调试”工具，进行整体通信与连接。之后我以Keil V4为开发平台，C为开发语言，写好了硬件测试程序，通过J-Link烧录到STM32中，完成单机测试。在手机端安装.apk安装包，安装好后打开蓝牙与蓝牙模块相连接。用户对设备进行多组指纹录取（录取编号自增1，以此为默认设置），然后进入初步预设的功能测试阶段：用户在设备上录取指纹；液晶显示屏上通过菜单提示，通过矩阵键盘设置用户接收短信的手机号码及接收时间；用户再次进行指纹打卡，设备与内存芯片中上传好的指纹库进行比对；用户可以通过手机短信端回复特定指令（默认设置为1），手机APP端特定虚拟按键，设备指定按键端这三种方式对用户签到打卡的实时状况进行接收。

五、设备及其系统升级

在此项目完成初步功能实现的基础上，项目后续我准备在硬件端将指纹识别模块更替为人脸识别模块，所用的的技术会涉及到openCV等。软件方面我会新增PC客户端的应用程序，将界面与数据库连接到一起，真正做到学生信息、教师信息、缴费信息、课程信息的一体化管理，涉及到Java、SQL、C++等语言。Web端我将使用Python、H5、PHP这些语言进行开发，把学生对于课程的实时观看、实时下载，综合浏览等功能结合起来，实现真正的教务管理里。

六、项目总结

在此次科研训练项目中，通过对硬件的调试让我学会了很多关于硬件方面的知识，从而有了一定的知识储备，除此之外，我对STM32开发板产生了浓厚的学习兴趣，如果有机会我将重新对整个开发板的电路构造做进一步的深究，尝试自己对PCB画线。同时，Android开发是我以前从未接触过的知识领域，但是通过做手机端APP让我对此部分知识有了系统化的学习。QT平台上的开发让我多了一些项目实战经验，也再一次的对C++语言进行了全面的复习。Keil V4平台上的编好的程序可以通过J-Link烧录到单片机中，由此对嵌入式有了一定的掌握。对我来说，此次科研训练项目不仅给了我对知识框架进行重新整理归纳的机会，更多的是一次挑战，一次尝试。在项目开始之前，我和我的团队抱着一颗惶恐的心；在项目过程中，我们时而步履蹒跚，时而通宵达旦，心里充满压力；在项目收尾阶段，我怀揣着一颗感恩的心，感谢自己一年的坚持与努力，也感谢所有团队成员的帮助和鼓励。最后，我给这个设备起了一个叫做“菜鸟一号”的名字，以此来激励我们不断努力，不断学习，不断进步。

【参考文献】

《STM32F103VBT6中文参考手册》

《STM32F103VBT6英文数据手册》

《JLX12864G-086带字库》

《ATK-HC05-V11用户手册_V1.03》

《指纹识别模块用户手册》

《Android APP开发》