基于二維碼技術(shù)的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)

張 璇 ，張廣斌 ， 李 莎

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100）

隨著科技的高速發(fā)展，很多復(fù)雜的過程逐漸被人們用更簡單的方式代替，二維碼技術(shù)的成熟及廣泛應(yīng)用潛移默化地引領(lǐng)了人們智能化的生活方式。從網(wǎng)絡(luò)資源下載、質(zhì)量防偽、名片識別到網(wǎng)上購物、電子商務(wù)，二維碼的市場應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大，二維碼技術(shù)已經(jīng)逐步被越來越多的部門和行業(yè)接受，二維碼技術(shù)的應(yīng)用和普及也為智能化數(shù)字校園建設(shè)提供了新的研究思路。

針對目前高校開放式實驗教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及實驗教學(xué)管理系統(tǒng)的需要，結(jié)合二維碼技術(shù)成本低、容量大、可靠性高、保密防偽性強等優(yōu)點[1]，文中提出了一種基于二維碼技術(shù)的智能化實驗教學(xué)管理系統(tǒng)。

1 二維碼技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

二維碼最早是由日本Delso Wave公司發(fā)明的用于追蹤汽車零部件的條碼，國外對二維條碼技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代末。在二維條碼符號表示技術(shù)研究方面，已研制出多種碼制。在二維條碼標(biāo)準(zhǔn)化研究方面，國際自動識別制造商協(xié)會（AIM）、美國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ANSI）已完成了 PDF417，QR Code，Code 49，Code 16K，Code One 等碼制的符號標(biāo)準(zhǔn)[2]。

國外的二維碼技術(shù)目前已經(jīng)大范圍應(yīng)用，被美國、德國、日本、韓國、英國等眾多國家應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易、物流業(yè)、生產(chǎn)制造業(yè)、交通、安防、票證等行業(yè)的管理。在日本的雜志廣告和海報上，使用二維碼來存儲商店地址和網(wǎng)址，用戶只需要用手機閱讀解碼，就可以立即連人網(wǎng)絡(luò)，了解相關(guān)信息。在公交車站牌上也都加上了二維碼，乘客只需要用手機讀取二維碼，就可以獲取路線信息。

二維碼在中國的應(yīng)用也多年前已經(jīng)開始起步，但之前多家企業(yè)前仆后繼的嘗試因為沒有得到市場響應(yīng)的支撐都沒有成功，近幾年隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和智能手機的快速普及，從2012年開始二維碼的春天終于來了。當(dāng)前，作為新生事物的二維碼應(yīng)用正在發(fā)達地區(qū)部分城市的部分行業(yè)進行試點。北京街道上很多的廣告都出現(xiàn)了二維碼，用來增加營銷；南京市推出了二維碼接人的“游客助手”平臺，把導(dǎo)游信息裝人游客的衣兜。國內(nèi)的麥當(dāng)勞，肯德基等快餐業(yè)，紛紛推出了二維碼優(yōu)惠券[3]。隨著我國市場經(jīng)濟的不斷完善和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對二維條碼這一新技術(shù)的需求與日俱增。它的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如票務(wù)環(huán)節(jié)、配送領(lǐng)域、VIP領(lǐng)域、手機二維碼應(yīng)用等[4]。

二維碼在校園中的應(yīng)用也十分的廣泛，如校園門禁系統(tǒng)二維碼應(yīng)用，防止閑散人員混入校園；二維碼學(xué)生考勤利用先進的圖像處理編碼技術(shù)，準(zhǔn)確的處理多種環(huán)境下的二維碼，部分企業(yè)已經(jīng)開始使用[5]；校園活動二維碼的應(yīng)用，利用二維碼實現(xiàn)活動的宣傳，便捷簡單的告知學(xué)生活動的詳細(xì)信息，二維碼還可以作為校園活動的入場憑證。

2 二維碼實驗教學(xué)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

考慮現(xiàn)有的二維碼生成及識別技術(shù)已經(jīng)成熟，系統(tǒng)選擇二維碼技術(shù)作為整個實踐項目的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集及二維碼生成模塊、拍照儲存模塊、GSM短信發(fā)送模塊以及手機APP模塊，系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 二維碼實驗教學(xué)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Two-dimensional code experimental teachingmanagement system framework diagram

3 二維碼實驗教學(xué)管理系統(tǒng)組成

3.1 數(shù)據(jù)采集及二維碼生成模塊

二維碼生成模塊是整個項目的關(guān)鍵部分。將學(xué)生個人信息導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，生成個人專屬，二維碼記錄了學(xué)生的個人信息、專業(yè)情況及實驗相關(guān)記錄。實驗者預(yù)約某個實驗后，會對應(yīng)生成該實驗記錄的二維碼并可以打擇機印出含有二維碼、個人信息及實驗相關(guān)信息的實驗報告。學(xué)生上課時憑二維碼進行掃描簽到，同時按簽到順序排定座位，掃描終端顯示學(xué)生信息和對應(yīng)座位，便于老師進行觀察、實驗指導(dǎo)以及課后提交成績。實驗結(jié)束后學(xué)生上交帶有專屬二維碼的數(shù)據(jù)紙，老師批改完成后對學(xué)生實驗紙進行拍照上傳，供學(xué)生自行查看。教師錄入成績時只需掃描學(xué)生個人二維碼，對應(yīng)填入成績即可。二維碼的使用，將大大節(jié)省時間和資源，使原有的實驗管理系統(tǒng)變得簡單快捷。二維碼生成器如圖2所示。

3.2 拍照儲存模塊

在實現(xiàn)二維碼控制的過程中，用STM32單片機微處理器作為主控模塊，實現(xiàn)各個模塊的串行通信。該模塊對學(xué)生實驗后的數(shù)據(jù)紙進行拍照儲存，以便上傳到個人平臺上供學(xué)生查看。這里采用的是STM32開發(fā)板結(jié)合OV7670攝像頭。OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOSVGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能[6]，其VGA圖像最高達到30幀/秒。功能過程包括伽瑪曲線、白平衡度色度等都可以通過SCCB接口編程。它的優(yōu)點自然也很多，它支持VGA、GIF和從GIF到40*30的各種尺寸輸出。圖3是其功能框圖。

圖2 二維碼生成器Fig.2 Atwo-dimensional code generator

3.3 短信GSM模塊

如何實現(xiàn)教師與學(xué)生之間的信息交互是本實驗室智能化管理系統(tǒng)的一大重點?；谖覀兊腟TM32ARM開發(fā)平臺，以及結(jié)合實際情況中單次信息數(shù)據(jù)量小，學(xué)生數(shù)量眾多等特點，我們最終選擇以PC訪問遠端DB獲取相應(yīng)信息進行驅(qū)動，以STM32結(jié)合GSMsim900A建立具有短信收發(fā)作用的GSM modem原型，從而對預(yù)約實驗的學(xué)生進行及時有效的短信提醒。

驅(qū)動部分的主體是能夠鏈接訪問遠端DB的PC上位機軟件，PC和STM32之間以RS232實現(xiàn)串口通信，借助TIMX通用定時器由ARM定時輸出高電平，PC串口接收到高電平后由上位機軟件向遠端實驗預(yù)約DB發(fā)出指令獲取具體預(yù)約信息，提取相關(guān)學(xué)生的通信號碼再次傳輸給STM32。接收到PC指令的STM32通過串行口ADC0809發(fā)送AT指令[7]以及獲取PDU協(xié)議單元字段實現(xiàn)對GSM模塊的激活和控制，成功檢測到SIM卡后的GSM短信終端再對已經(jīng)被設(shè)定好的信息進行編碼和發(fā)送。

3.4 手機APP設(shè)計模塊

目前高校智能手機的使用已經(jīng)非常普遍了，使用手機比電腦更加便捷[8]。基于 Android和IOS平臺設(shè)計一款適合學(xué)生使用的大學(xué)物理實驗平臺必然會帶來很大的方便。設(shè)計手機APP應(yīng)用程序，鏈接教務(wù)處學(xué)生信息數(shù)據(jù)庫，學(xué)生通過可以直接獲取個人信息，在APP上進行預(yù)定選課，查看成績。更加適應(yīng)了學(xué)生的需求。在這一項技術(shù)中，需要首先進行準(zhǔn)確的產(chǎn)品定位，即APP是為學(xué)生設(shè)計，在設(shè)計時候注意學(xué)生的簡潔使用習(xí)慣，因此在使用高級語言編程時我們需要建立一個較為簡單的窗口。設(shè)計時需要用JAVA編程語言進行編程，需要一定的C語言基礎(chǔ)，用手機應(yīng)用平臺設(shè)計APP外形和框架，即把APP所能實現(xiàn)的功能擬定出來。再利用JAVA把各個框架填滿，逐步實現(xiàn)各個功能的實現(xiàn)。

圖3 OV7670 CMOSVGA圖像傳感器原理圖Fig.3 OV7670 CMOSVGA image sensor schematics

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，智能化管理系統(tǒng)憑借其獨到的簡單快捷，實時性高等特點為大多數(shù)人所接受，并逐漸發(fā)揮更大的作用。本次實踐項目從提高資源管理便易程度出發(fā)，切實考慮到教師及學(xué)生在實踐教授同學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)所可能遇到的問題并給出解決方案。結(jié)合二維碼的資源存儲、app的移動同步等功能，力求將物理實驗系統(tǒng)完善為易被師生接受使用的智能化管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)高校物理實驗室管理系統(tǒng)的不足，提高資源的整合程度，方便學(xué)生的查詢使用，是實驗管理系統(tǒng)的一次重要升級。

[1]顧吉濤.人臉檢測技術(shù)在二維條形碼（QR碼）中的應(yīng)用[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]吳永祥.基于二維條形碼的圖形圖像處理與應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]崔瑩.手機二維碼支付應(yīng)用技術(shù)和發(fā)展概述[J].電腦知識與技術(shù)，2013，4（9）:45-51.CUIYing.Payment application technology and development overview ofmobile two-dimensional code[J].Computer Knowledge and Technology，2013，4（9）:45-51.

[4]劉柯言.中國電信手機二維碼業(yè)務(wù)市場拓展研究 [D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[5]任鳳，張波.二維碼在校園信息化中的應(yīng)用[J].電子世界，2012（8）:117-118.RENFeng，ZHANGBo.Two-dimensionalcodein theapplication of information technology on campus[J].Electronic World，2012（8）:117-118.

[6]孟祥斌.水表號碼圖像識別系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011.

[7]魏英欽，陳連坤.基于TC35i的PC機短消息收發(fā)模塊[J].電子世界，2007（2）：22-24.WEIYing-qin，CHEN Lian-kun.Based on APC TC35i short messagingmodule[J].Electronic World，2007（2）:22-24.

[8]謝海平.移動手機的發(fā)展軌跡和電腦化趨勢[J].硅谷，2011（14）:18.XIE Hai-ping.Development track mobile phones and computers trend[J].Silicon Valley，2011（14）:18.