基于單片機(jī)和MAC地址定位的教室打卡與人流檢測(cè)微信小程序

宮雨欣，蒿特祺，史 清，賈味明，張家俊

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)（含開源/第三方工具）

本作品的集成開發(fā)平臺(tái)：集成開發(fā)工具、微信開發(fā)者工具。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)

具備Android 8及以上操作系統(tǒng)的手機(jī)。本設(shè)計(jì)基于微信平臺(tái)，可以跨平臺(tái)（Android、IOS）使用，與微信緊密結(jié)合，可使用微信（受到允許的公開信息，如昵稱、頭像等）實(shí)現(xiàn)一鍵登錄的效果，運(yùn)行需要微信6.5.2版本及以上[2]。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)基于微信移動(dòng)平臺(tái)，具有更強(qiáng)的交互性、靈活性，無須考慮手機(jī)操作系統(tǒng)、版本不兼容、用戶信息泄露、App下載來源、內(nèi)存占用及更新等一系列問題。只需打開微信“掃一掃”或“搜一搜”，無須額外下載占用手機(jī)內(nèi)存空間。

微信小程序的框架系統(tǒng)為MINA應(yīng)用框架，實(shí)質(zhì)是一種雙線程模型，分為邏輯層（App Service）和視圖層（View）兩個(gè)部分。小程序的視圖層描述語言有WXML和WXSS，以及基于JavaScript的邏輯層框架，并在視圖層與邏輯層間提供了數(shù)據(jù)傳輸和事件系統(tǒng)。框架的核心是一個(gè)響應(yīng)的數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)，可以讓數(shù)據(jù)與視圖簡單地保持同步。

在小程序啟動(dòng)時(shí)，微信會(huì)在背后完成以下工作：下載小程序代碼包、加載小程序代碼包、初始化小程序首頁。同時(shí)，在小程序啟動(dòng)或一個(gè)新的頁面被打開時(shí)，頁面的初始數(shù)據(jù)（Data）和路徑等相關(guān)信息會(huì)從邏輯層發(fā)送給視圖層，用于視圖層的初始渲染。

1.4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

本設(shè)計(jì)采用了小程序·云開發(fā)中云數(shù)據(jù)庫與云函數(shù)功能，以及騰訊云函數(shù)兩種云開發(fā)資源。小程序·云開發(fā)是微信團(tuán)隊(duì)聯(lián)合騰訊云推出的專業(yè)的小程序開發(fā)服務(wù)，其優(yōu)勢(shì)在于無須搭建服務(wù)器，免登錄、免鑒權(quán)調(diào)用微信開放服務(wù)、不限開發(fā)語言與框架等，本設(shè)計(jì)采用JavaScript作為小程序·云函數(shù)的主要開發(fā)語言。騰訊云云函數(shù)（SCF）是騰訊云提供的無服務(wù)器執(zhí)行環(huán)境，開發(fā)者只需使用平臺(tái)支持的語言編寫并設(shè)置代碼運(yùn)行的條件，即可在騰訊云基礎(chǔ)設(shè)施上彈性、安全地運(yùn)行代碼，本設(shè)計(jì)在騰訊云函數(shù)部署的開發(fā)語言為Python。

本設(shè)計(jì)設(shè)定騰訊云云函數(shù)的觸發(fā)方式為API網(wǎng)關(guān)觸發(fā)，在API接收到用戶端請(qǐng)求后，觸發(fā)云函數(shù)，并將處理結(jié)果作為API響應(yīng)返回給客戶端。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊

采用TZ-1002 Wi-Fi模塊。TZ-1002支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧。TZ-1002內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求[3]。

2.2 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用Altium Designer15軟件繪設(shè)計(jì)制原理圖。圖1為系統(tǒng)的電路原理圖。為獲得更加精簡的硬件電路，使用Altium Designer15軟件繪制原理圖，繪制封裝庫，并檢查電氣連接是否存在錯(cuò)誤。

圖1 電路原理圖

2.3 生成PCB模板

繪制PCB邊界，將PCB設(shè)置為雙層板。將電路原理圖及各器件封裝導(dǎo)入，采用交叉選擇模式以就近原則擺放元器件。元器件放置完畢后進(jìn)行手動(dòng)布線，原則上正反兩面交叉走線，盡量呈90°或45°，避免出現(xiàn)信號(hào)干擾。將檢查無誤的電路原理圖生成PCB模板，并導(dǎo)入PCB庫中。

2.4 繪制PCB圖

編譯所畫的原理圖，設(shè)置電氣特性，選擇合適大小的板后對(duì)圖按規(guī)則進(jìn)行合理的布局、布線，同時(shí)檢查布線是否有誤。在底層和頂層覆銅，最終生成PCB圖，將生成的PCB圖發(fā)送給廠家加工，得到成品。

3 數(shù)據(jù)與接口

3.1 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL數(shù)據(jù)庫可通過配置公網(wǎng)IP地址的云服務(wù)器（如Linux云服務(wù)器），采用MySQL命令連接至騰訊云數(shù)據(jù)庫，則可用配置的云服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，將MySQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)上傳至中轉(zhuǎn)云服務(wù)器，再通過中轉(zhuǎn)云服務(wù)器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入騰訊云數(shù)據(jù)庫。

硬件數(shù)據(jù)可利用騰訊云專用遷移設(shè)備與數(shù)據(jù)庫建立連接，接通后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝操作，拷貝完所有數(shù)據(jù)后，騰訊云會(huì)回收設(shè)備并將數(shù)據(jù)上傳云端[4]。

3.2 接口與串口

手機(jī)通過藍(lán)牙串口微信小程序控制手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)藍(lán)牙通信，構(gòu)建了一個(gè)單片機(jī)與手機(jī)的串口通道。單片機(jī)從串口接到數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)動(dòng)作[5]。

4 系統(tǒng)軟件功能模塊

該小程序由主頁、定位打卡模塊、我的課表模塊、個(gè)人中心模塊這四大模塊組成。

主頁模塊實(shí)現(xiàn)了注冊(cè)登錄的功能，基于微信開發(fā)者工具的云開發(fā)功能，將用戶的注冊(cè)身份信息保存至云端數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)加入信息檢驗(yàn)?zāi)K來核驗(yàn)用戶的登錄信息和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的注冊(cè)信息。

定位打卡模塊主要通過MAC地址的檢測(cè)與比對(duì)實(shí)現(xiàn)定位功能，打卡功能主要用于統(tǒng)計(jì)和管理學(xué)生的簽到情況，用戶每一次簽到打卡，都會(huì)將打卡記錄上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，用戶自己也可以在個(gè)人中心的打卡記錄界面查看自己的打卡記錄。

我的課表模塊幫助用戶隨時(shí)隨地查看自己的課程安排，用戶只需要導(dǎo)入自己的課程信息，系統(tǒng)會(huì)將信息同步到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫并顯示給用戶，用戶即可在該模塊中查看自己的課程安排。

個(gè)人中心模塊為用戶提供了許多額外功能，依托微信平臺(tái)，該模塊為用戶提供了客服服務(wù)和意見反饋的功能，用戶可以根據(jù)自己的使用體驗(yàn)向開發(fā)人員提出反饋意見，同時(shí)也可以督促開發(fā)人員進(jìn)行項(xiàng)目維護(hù)與更新。

5 系統(tǒng)硬件功能實(shí)現(xiàn)

（1）基于STM32單片機(jī)開發(fā)板搭建系統(tǒng)，系統(tǒng)由GPS模塊、探針模塊、顯示和輸出模塊組成。

（2）通過串口通信配合Wi-Fi探針模塊實(shí)時(shí)獲取手機(jī)的MAC幀，隨后將解析的MAC地址進(jìn)行對(duì)比去重等處理。

（3）STM32單片機(jī)將處理完成的教室人流數(shù)據(jù)通過串口收發(fā)模塊傳輸至上位機(jī)與LDC12864顯示器，該系統(tǒng)可得到各教室實(shí)時(shí)人流數(shù)據(jù)，人流數(shù)據(jù)包括：教室進(jìn)出客人數(shù)及對(duì)應(yīng)表格、教室實(shí)時(shí)人數(shù)[6]。

（4）軟、硬件部分集成和銜接。

（5）系統(tǒng)自動(dòng)記錄人流，通過串口收發(fā)至宿主機(jī)，匯總OD矩陣得到教室進(jìn)出人數(shù)。

6 微信小程序界面設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果

小程序名為“半畝方塘”，出自南宋詩人朱熹之作《觀書有感》。啟動(dòng)頁面以較大字體突出小程序的名稱，同時(shí)也體現(xiàn)了小程序的主要功能。節(jié)選詩作前二句，配以中國傳統(tǒng)山水畫為背景，營造出詩作中田園的意境，體現(xiàn)古代文人墨客的書香之氣，與小程序的總體定位相符合。

進(jìn)入小程序后，界面力求簡約明了，既能方便用戶找到自己所需的功能，又不會(huì)讓用戶被其紛繁復(fù)雜的設(shè)計(jì)所吸引而影響正常學(xué)習(xí)。小程序下方的菜單欄清晰說明了程序簽到打卡、課表查詢、個(gè)人中心的三大功能。每欄頁面采用大號(hào)字體，以突顯出該頁面的功能。“定位”頁面以加粗字體顯示小程序定位分析得到的用戶實(shí)時(shí)位置，讓用戶更為直接地獲取到這一信息。“確認(rèn)打卡”與“重新定位”兩個(gè)選項(xiàng)設(shè)置參考其他廣為人知的App，設(shè)置合理，符合絕大多數(shù)用戶的使用習(xí)慣；“我的課表”欄目中，用戶可通過滑動(dòng)課表上方的欄目選擇需要查找的周次，方便快捷。課表可上下滑動(dòng)，為課表內(nèi)容提供更多空間，確保課表可承載課程名稱、上課地點(diǎn)、教師姓名等關(guān)鍵信息；“教室查詢”欄目中，將教室名稱和當(dāng)前人數(shù)兩大關(guān)鍵信息加粗、加大，突出顯示，方便用戶的使用。每間教室的空閑情況、Wi-Fi信號(hào)質(zhì)量、有無插座等情況一目了然，幫助用戶更好地選擇與確定目標(biāo)教室；在“個(gè)人中心”欄目中，用戶可以查看自己的打卡記錄，防止老師誤判曠課，還可以通過建議與反饋、在線客服及時(shí)反映系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題，增強(qiáng)小程序的交互性。

7 結(jié)束語

本文提出的基于STM32單片機(jī)和MAC地址定位的教室打卡與人流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微信小程序，通過TZ-1002 Wi-Fi探針模塊實(shí)現(xiàn)MAC地址的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匹配，從而實(shí)現(xiàn)人流動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與課堂考勤的功能。經(jīng)實(shí)踐表明，該小程序的整體設(shè)計(jì)思路是可行的，電路硬件設(shè)計(jì)與程序軟件設(shè)計(jì)可以有效結(jié)合，可延展性較強(qiáng)，通過后期的持續(xù)優(yōu)化，該小程序還能實(shí)現(xiàn)更多實(shí)用功能，從而滿足任課教師與學(xué)生的多種需求。■