第112章 蛐蛐蠕蟲接受真龍的怒火吧

2需求分析和相關技術

2.1系統構架

本系統採用物聯網架構，選用ATK-ESP8266IFI模塊、TFTLCD顯示屏為模擬元件組成的智能課堂考勤系統。ATK-ESP8266IFI模塊用於課堂考勤及網絡連接控制，出現異常及時上報雲平台，實時數據同步雲平台等操作，TFTLCD顯示屏將採集到的數據信息實時顯示到本地中，供用戶查看，分析。本系統通過科學的管理方法解決高校授課傳統考勤的效率低、準確性差、爭議多等問題，提高高校教學質量，提升學生學業成績，更新數碼化校園構建、改善教學提高校園治理方式、推進學生創新能力。系統具體框架如圖2.1所示。

圖2.1系統框架圖

2.2系統主要功能

本設計通過集成ATK-ESP8266IFI模塊對教室上課學生出勤狀態進行實時檢測，將各種邏輯判斷加入其中，將採集數據通過ST32F103CRT6主控晶片進行數據處理，形成智能的課堂考勤系統，極大的提升教育質量，提高學生的學習質量。

ATK-ESP8266IFI模塊的第一個功能用於連接網絡和佈置教室的局域網，在把模塊初始化完成後，主控晶片會將所有功能模塊採集到的數據通過處理在經過網絡傳輸到雲平台中，實現遠程監控的功能。第二個功能也是本系統實施的關鍵所在，它用於教室學生出勤狀態的檢測，在本設計中學生出勤狀態甄別的機制主要分為下面幾種情況：在上課時間后開始進入檢測狀態，在上課五分鐘后，連接到系統中的學生會被系統記為遲到，同時雲平台上顯示這個學生當前狀態為正常，報警狀態為遲到;在上課三十五分鐘后，還有沒連入系統的學生會被系統記為曠課，同時雲平台上顯示這個學生當前狀態為異常，報警狀態為曠課，如果該學生在三十五分鐘過後又連接了網絡，則網絡平台上顯示該學生當前狀態為正常，報警狀態依舊為曠課;當學生上課中途退出系統，系統會給出無分鐘的預警時間，在預警時間結束之前重新連接的學生，系統不予警告，網絡平台上該生的當前狀態會顯示正常，但如果已經過了預警時間還未重新連接系統的學生，系統會把該生記為早退，並上傳到網絡平台，將當前狀態設為異常，報警狀態設為早退;在學生狀態發生變化時，本地的LCD屏上都會實時顯示學生的出勤狀態，同時網絡平台都會給予老師相應的提醒，更加便於老師管理學生上課出勤狀態，在備課階段根據系統反饋的學生狀態指定相應教學計劃。

隨着經濟的飛速發展，能源緊張、環境惡化已然受到了全球的密切關注，能源是發展國民經濟的重要基礎，而節能降耗則是首要任務，在本系統中也針對節能降耗設計了相關的低功耗操作。在沒有上課時，本地系統會處於休眠狀態。在上課時，如果狀態長時間無變化，會降低屏幕顯示背光值，極大的節能降耗，完成低功耗系統的搭建。

3硬件設計

硬件設計是本項目的物理基礎，也是本項目的核心。本系統硬件的功能模塊主要為ATK-ESP8266IFI模塊、TFTLCD液晶顯示屏與OV5640AF攝像頭模塊，它們在系統中各司其職，構成了本項目實施的目的——智慧課堂考勤系統。

3.1中央處理器

主控晶片的選擇取決於系統所需要實現的功能，本系統在上課期間必須保持不間斷的運行，時刻面對一個班中近60多位學生，不僅需要隨時對學生上課出勤的情況進行監測，還需要對所監測到的數據結果進行智能處理，並且要求具有智慧節能的能力。

考慮到本作品對運算速度、存儲空間、端口支持、通信傳輸、多用戶訪問等方面的要求，作者選擇了ST32F429IGT6作為主控晶片。

ST32F429IGT6是意法半導體公司的一種單片機晶片，它的內部數據總線為32位，主時鐘頻率為72Hz，晶片內置的sh程序存儲器容量為256KB，內置RA容量是48K，對於本作品擬應用的場所來說，計算規模限制在64KB範圍之內，對響應速度的要求通常在毫秒到秒之間，因而這樣的晶片選擇是足夠的，而且還為系統軟件的進一步擴展提供了足夠的余量，便於後期維護與更新。

該晶片有內置的多種片內外設，有5個串行通信接口，其中USART三個，UART兩個，可以通過外部的USB轉串口連接IFI部件，實現無線數據傳輸。晶片內置的I2C總線接口，能夠工作與多主模式或從機模式，支持標準模式和快速模式，對系統中數據的採集與傳輸提供了極高的優勢。但是，作者在實際開發應用程式時聽取了其他資深工程師的意見，使用自行編寫的I2C總線軟件仿真程序實現了接口通信。該主控制器具體實物如圖3.1所示。

圖3.1搭載ST32F429IGT6晶片的阿波羅開發板實物圖

本系統使用5V穩壓電源適配器供電，滿足USB轉串口晶片、外接存儲晶片、傳感器等部件的供電需求。5V電壓經過開發板上的電壓變換模塊輸出3.3V電壓，為單片機晶片提供穩定的電壓支持。

ST32F429IGT6內置的USART接口與ATK-ESP8266模塊連接，實現連網的無線數據傳輸。由於進入課堂的每位學生均有手機隨身攜帶，而手機總是試圖與本地基站BTS保持聯繫，使流動網絡交換中心（SC）將手機用戶信息保存在當地訪問位置寄存器（VLR）中，在手機通信時，手機用戶在通信幀中向SC傳送自己的AC地址，而這個AC地址是全球唯一的，能準確代表手機用戶的身份。本作品正是利用了手機的這一特色，利用連接到單片機的ATK-ESP8266模塊獲取手機用戶AC地址，並與系統中預存的學生數據進行比對。如果在運行期間系統能夠定時匹配每位同學的固定AC地址，則視為正常。當出現學生上課狀態異常時，系統會及時地將報警或預警信息實時反饋，提醒用戶。採集到的學生信息通過邏輯處理，將數據進行分析處理，把分析后的信息顯示到本地的TFTLCD液晶顯示屏上，以直觀的格式顯示出來，還可以通過ATK-ESP8266模塊實時上傳雲端保存，供老師查看歷史數據。

3.2信息數據採集

本智慧課堂考勤系統中信息數據採集主要通過ATK-ESP8266IFI模塊來實現，下面我會具體介紹ATK-ESP8266IFI模塊代表的硬件的功能、性能以及具體實物圖。

本設計中最大的特色便是實現了學生考勤數據的自動採集，可以對進入課堂的每個學生進行無感知的數據採集。

根據移動通信的協議，學生手機總是不斷地獲取本地基站（BTS）發射的導頻信號，以感知自己所處的小區位置，並且通過BTS向SC發送自己的AC地址，以表明身份，SC會將表示手機用戶身份的編碼保存到VLR中。由於手機向SC發送信息是全方向的，因而信號覆蓋區內的所有設備都可以接收到，因而可以利用ATK-ESP8266IFI模塊來主動截取手機發射的AC地址，以判斷手機用戶所在的位置。由於IFI模塊的覆蓋區域有效半徑僅在10米以內，恰好可以覆蓋一個教室，但不會使相鄰教室造成錯誤識別。

ATK-ESP8266IFI模塊的具體實物圖如圖3.2所示，它支持LVTTL串口，工作電源電壓3.3V，但工作端口可以承受5V的信號電壓，與本系統所採用的主控晶片供電範圍相符合，可以直接從單片機開發板供電。如果錯接了5V電源，工作電流超過額定值，ESP8266模塊很快就會發熱，發熱時間超過5分鐘，晶片就有可能造成不可逆的損壞。

ESP8266模塊支持串口轉IFISTA、串口轉AP和IFISTAIFIAP等三種模式，即可以在網絡連接中承擔熱點的功能，也可以作為普通用戶的工作站，還可以同時實現訪問點與工作的功能。從用戶角度出發，該模塊配備了完善的AT指令及使用手冊，供用戶參考使用;在性能方面ATK-ESP8266模塊非常小巧，不會佔用教室過多空間，工作式多樣化，供用戶選擇適用的工作模式，在本系統的應用中，我們選擇了STAAP的工作模式，它能自主創建一個局域網以及連接上一個網絡路由器，從而充當一個網絡中轉站，再結合它特有的AT指令來校驗學生的出勤狀態，達到一物兩用;其次它的功耗較低：持續發送平均只需70，正常工作則只需12，更加符合我們設計節能的要求。

圖3.2ATK-ESP8266IFI模塊實物圖

3.3信息傳輸

本系統採集到的課堂考勤信息選擇傳輸到中移物聯網免費發佈的雲平台OneNET上。這個平台有很多優點：

（1）海量連接，由於採用了分佈式集群機制，支持海量設備的併發量接入，長時間保持在線的用戶超過200萬;

（2）數據存儲量大且安全，OneNET伺服器採用分佈式結構，提供多點冗餘備份，使數據安全得到充分保證;

（3）應用孵化，即使是入門級用戶，都可以按照頁面上的提示，快速創建設備管理的前端頁面，並以直觀的折線圖、餅圖、錶盤、二維表等形式表示前端提供的數據，並通過界面上的按鈕等操作，實現對前端設備的遠程管控。

（4）信息分發，OneNET能將採集的數據通過消息轉發、APP信息推送等方式快速告知業務平台、手機、APP客戶端，建立雙向通信的有效通道;

（5）可控觸發，雲端支持事件觸發引擎，允許自定義觸發條件，當接收到的前端數據超出預定義範圍時，能自動推送響應信息到指定地點，幫助用戶快速實現業務邏輯;

（6）數據分析，OneNET基於Hadoop等提供了對大量數據進行分佈式處理的框架，它能維護多個數據流的副本，確保能夠對失敗的節點重新進行。它能夠在節點之間動態地轉移數據，使多個業務點的負載保持動態均衡。

本系統通過本地實時監控的數據信息通過局域網傳輸到OneNET平台上進行數據分析處理，讓用戶通過OneNET網絡平台了解該教室學生上課出勤率、上課的實時狀態，從而實現遠程監控的目的，方便用戶管理。此外，上傳的數據能在網絡平台上進行存儲，達到數據可追溯性。所以，一款適用的信息傳輸元件對本設計的實現來說非常重要。智慧課堂考勤系統選用的是正點原子的ATK-ESP8266IFI模塊來進行數據傳輸。在無障礙的空曠地帶，ESP8266IFI模塊的有效覆蓋半徑大約為100米，而在室內的覆蓋範圍會銳減到20米，遇到牆壁等障礙衰減更快。根據本系統需求ATK-ESP8266IFI模塊選擇STAAP的工作模式，既作為伺服器也作為客戶端;既可以為其他用戶承擔作為連接到網絡的中轉站，自身也可以作為訪問網絡的一個用戶。在連接教室局域網后，用戶便可以通過手機或電腦實現對學生出勤狀態、上課的實時狀態進行遠程控制。教室內連接到局域網的無線路由器作為熱點，使IFI模塊與用戶手機都能就近接入有線網絡，不僅能節約網絡資源，還能利用光纖網絡的寬帶優勢更有效的傳輸數據。

3.4信息顯示

在本系統中，本地數據顯示使用10英寸TFTLCD液晶顯示屏完成，顯示內容主要由兩部分組成，第一部分主要顯示同學的上課異常狀態，如學生遲到、早退、曠課等狀態，第二部分主要顯示同學的預警信息，系統運行的相關信息。這兩部分顯示相輔相成，更好的體現了系統的完整性，讓用戶更加方便的了解學生上課狀態相關信息。

液晶顯示屏是在上下兩層偏振玻璃板之間填充液態晶體，在玻璃上塗鍍金屬電極，並在成對電極之間施加電壓，產生電場，使液態晶體在電場作用下改變方向，從而影響液晶層的透光性。由於上下兩層偏振板的偏振特性是呈90°交叉的，如果液晶分子在電場作用下同向排列，光線穿越兩層偏振板之後衰減幾乎為0，液晶屏不透光。如果設計液晶分子逐層偏轉，在兩個偏振板之間恰好將光線偏轉90°，液晶板具有透光特性。外加電場控制每個像素之下液晶分子的排列，即可以在屏上顯現出黑白或彩色像素。

TFT-LCD在顯示屏的每個像素的每個基色單元下面都設置了一個薄膜電晶體，由於每個電晶體的通斷都可以單獨控制，因而在像素未選通時不會對屏幕顯示產生干擾，使畫面顯示更加清晰。

液晶屏模塊是由屏面液晶板與屏后的驅動晶片構成的，不同驅動晶片的參數各不相同，選擇任一款液晶屏時都要向廠商索取相關的數據表（datasheet），而銷售廠家都是非常樂意提供的。本作品選用的是以ILI9341為控制晶片的TFT液晶顯示器模塊，它可以採用RGB565格式存儲顏色數據，每個像素用16位二進制數據表示顏色，其中最後5位數代表藍色，中間6位數代表綠色，最高5位數代表紅色。

雖然ILI9341的數據操作都是16位的，但它用於設置工作模式等操作的所有指令都是8位的（高8位無效）。

接下來介紹幾個ILI9341的重要命令。

（1）讀取ID命令0XD3，用於讀取LCD控制器的ID，以判斷實際連接的LCD模塊型號是否正確。該命令的返回值有4個字節，如果最後2個字節是0X93，0X41，則說明當前連接的液晶顯示模塊是ILI9341;

（2）存儲訪問控制指令0X36，用於控制ILI9341執行將待顯示數據寫入圖形緩衝存儲器GRA的操作，也可以執行從GRA中讀出數據的操作。為了滿足不同類型圖像顯示所要求的特殊格式，該指令還可以設置掃描方向。

（3）列地址設置指令0X2A，該指令有4個參數，用於設置橫坐標。

ILI9341支持多種顯示解像度，在本作品中，解像度設置為240*320，顯示格式為GRB565。