基于ZigBee技術的學生考勤監(jiān)控系統(tǒng)設計111

基于ZigBee技術的學生考勤監(jiān)控系統(tǒng)設計摘要本文基于ZigBee技術的特點和優(yōu)勢，以及CC2431芯片的無線定位引擎系統(tǒng)功能，結合蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院教學樓——樹行源B座的特色，給出了利用無線定位系統(tǒng)對教學樓內人員進行考勤監(jiān)控的軟件設計。主要以實現(xiàn)網(wǎng)關節(jié)點、參考節(jié)點和定位節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受過程中主要功能的軟件流程設計，完成了節(jié)點間數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)CC2431定位芯片和我院考勤時間的需要給出了相應的時間間隔控制，更好的突出ZigBee低功耗特點。這樣做很好的完成了考勤工作同時還提高了教室的利用率，對我院管理工作科學化、網(wǎng)絡化很有幫助。關鍵詞：ZigBee，無線定位，CC24311.設計背景根據(jù)本校的學生流動和當前考勤的具體情況，給出了基于ZigBee技術的無線定位考勤監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計。這樣可以方便快捷地完成人員考勤，希望對科學的管理人員有所啟發(fā)。由于學生每上一節(jié)課的地點是固定不變，因此上課期間人員流動不大，人員流動主要在課間?？紤]到我院學生晚上要上晚自習，因此在上課期間可能會有人員流動情況出現(xiàn)。其它時間為自由支配時間我們可以不考慮定位。為了更好地完成考勤工作，本文在下文給出了詳細的定位時間間隔設計。目前我校主要考勤方式有兩種:一、實行點名考勤方式（主要針對學生出勤），具體考勤過程為每天上課前先由學習委員和班長進行點名考勤。有時候上課人數(shù)很多教師為了統(tǒng)計本節(jié)課的出勤率還要進行點名考勤，這樣做就會浪費很多時間和人力。二、用“一卡通”進行打卡考勤（主要面向教師），具體考勤過程為在學校的某一固定地點放上考勤機，教師每天在固定的時間內持“一卡通”來打卡完成考勤。這樣做不但費時費力，有時候往往會在打卡高峰期造成人員擁堵等問題。目前教室的利用情況介紹：由于我院學生上課的教室是不固定的，因此有時候會有教室空閑不用。但是又存在這樣的現(xiàn)象，比如上課期間某間教室的多媒體突然出現(xiàn)問題不能正常上課。老師一般會采取兩種辦法。一、找管理人員進行修理；二、讓同學去找空教室；這樣既浪費時間又耽誤授課。還有比如有什么事需要臨時開個會，但是沒有具體地方進行，大多數(shù)情況需要挨個教室去尋找空閑的教室，這樣做很不方便。為了防止以上問題和不足，現(xiàn)提出可以通過ZigBee技術的具體特點和優(yōu)勢來完善我院的考勤方式。通過對教學樓——樹行源B座進行參考節(jié)點和采集系統(tǒng)的具體布置，為被考勤人員設計一個帶有CC2431芯片的設備構成定位節(jié)點。然后通過參考節(jié)點、定位節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點進行考勤數(shù)據(jù)采集、傳送及處理的具體過程完成人員考勤。這樣做可以節(jié)省大量時間和精力，還可以使考勤系統(tǒng)科學化、網(wǎng)絡化。2.ZigBee技術簡介ZigBee技術的前身是“HomeRFlite“技術，其核心協(xié)議由2000年12月成立的EEE802.15.4工作組制定的，高層應用、互聯(lián)互通測試和市場推廣由2002年8月組建的ZigBee聯(lián)盟負責。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的一種雙向無線通信新技術。主要用于自動控制和遠程控制領域，可以滿足對小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。2.1ZigBee技術特點介紹ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的傳輸距離標準的為75m，在整個數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡中節(jié)點不僅可以采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，還可以充當路由設備，即對相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)進行轉發(fā)。ZigBee技術具有以下特點：（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mw而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。（2）成本低：ZigBee模塊初始成本為在6美元左右，估計很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。（3）時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms,休眠激活的試驗為15ms,因此ZigBee技術使用于對時延要求苛刻的無線控制應用。（4）網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡組成靈活。（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式。每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。2.2ZigBee的協(xié)議結構模型和其他常見的無線通信相比，ZigBee協(xié)議棧具有緊湊而且簡單的特點。ZigBee協(xié)議架構是建立在EEE802.15.4標準基礎之上的。EEE802.15.4標準定義了ZigBee的物理層（PHY）和媒體介質訪問層（MAC）；ZigBee聯(lián)盟定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層（NWK）、應用層（APL）。按照需求，每一層為上面一層提供一系列相應的服務，數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供所有其他服務。各層的主要任務如下：（1）物理層主要完成任務為：開啟和關閉無線收發(fā)信道、空閑信道評估、信道選擇和數(shù)據(jù)收發(fā)等。工作在868/915MHz和2.4GHz這兩個頻段上。（2）媒體介質訪問層主要完成任務為：負責產(chǎn)生并發(fā)送信標幀、設備與信標同步、而且采用免沖突載波檢測多路徑訪問機制來控制信道接入。（3）網(wǎng)絡層主要完成的任務：建立拓撲結構和維護網(wǎng)絡連接；提供設備連接和斷開網(wǎng)絡時采用的機制；提供幀信息傳輸過程中路由機制和安全機制；啟動新網(wǎng)絡，為新設備分配地址；提供必要函數(shù)，確保MAC層能夠正常工作。（4）應用層的主要任務：應用層包括應用支持層、ZigBee設備對象以及用戶定位應用對象。主要負責維護綁定列表，在綁定設備間傳送消息，ZigBee設備對象負責網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn)和角色定義，提出或響應綁定請求，建立設備間的安全關系。2.3ZigBee技術中RSSI定位測距算法實現(xiàn)原理基于RSSI的測距技術是利用無線電信號隨距離增大而有規(guī)律地衰減的原理測量節(jié)點間的距離，接收信號強度RSSI與傳輸距離d的關系如下所示：RSSI=-（10nlgd+A）式中：n表示信號傳播常數(shù)，也叫做傳播系數(shù)；d表示與發(fā)送者的距離;A表示距發(fā)送者1m時的信號強度。測距精度的高度受到n與A實際取值大小的影響較大，A是一個經(jīng)驗參數(shù)，可以通過測量距離發(fā)送者1m外的RSST值得到。n是用來描述信號強度隨距離增加而遞減的參量，n的大小以來具體的環(huán)境。為了得到最優(yōu)的n值，可以先放置好所有的參考節(jié)點，然后嘗試用不同的n-index值找到最適合這個具體環(huán)境的n值。一般來說，對一個定位節(jié)點進行定位至少需要三個已知坐標節(jié)點進行定位，已知節(jié)點越多定位越準確。3.網(wǎng)關節(jié)點的軟件設計ZigBee網(wǎng)關是無線定位系統(tǒng)的中心協(xié)調器，它可以通過RS232串口延長線與監(jiān)控中心PC機相連通信，網(wǎng)關通過內置的ZigBee模塊通無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點實現(xiàn)通信。3.1網(wǎng)關節(jié)點的功能網(wǎng)關節(jié)點可以將所有傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總、分析、存儲和發(fā)送。具體功能有一、建立ZigBee網(wǎng)絡；二、接收由控制中心提供的各參考節(jié)點和移動節(jié)點的配置數(shù)據(jù)；三、接受各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)經(jīng)總線模塊傳送至控制中心軟件。3.2網(wǎng)關節(jié)點的工作流程參考節(jié)點和定位節(jié)點與監(jiān)控終端PC機之間所有相關數(shù)據(jù)都經(jīng)由它進行傳送。工作流程為：當計算機發(fā)送命令以后，網(wǎng)關接收命令，首先判斷是不是可用的命令，如果可用根據(jù)命令判斷計算機需要那個節(jié)點的信息，并向該節(jié)點發(fā)送命令要求將對應數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關，然后再將接收到的指定節(jié)點的信息按既定格式發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端通過傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控軟件顯示出來。圖3-1網(wǎng)關節(jié)點流程圖4.參考節(jié)點程序設計參考節(jié)點是無線系統(tǒng)中靜止的、已知自身位置坐標信息的節(jié)點。是ZigBee網(wǎng)絡中的路由器。參考節(jié)點可以由CC2430或者CC2431芯片來實現(xiàn)，本系統(tǒng)選擇CC2431芯片作為數(shù)據(jù)處理模塊。4.1參考節(jié)點的主要功能參考節(jié)點具備三大功能：一、創(chuàng)建一個無線網(wǎng)絡，二、實現(xiàn)有線網(wǎng)與無線網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的傳輸，三、對于無線網(wǎng)絡中的可移動節(jié)點實現(xiàn)定位。4.2參考節(jié)點組網(wǎng)參考節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡，首先要初始化協(xié)議棧，根據(jù)監(jiān)控主機的命令，將監(jiān)控主機分配的網(wǎng)絡ID號，坐標（X,Y）值寫入節(jié)點。參考節(jié)點發(fā)出網(wǎng)絡建立的廣播信號之后，節(jié)點進入無線監(jiān)聽狀態(tài)，等待接收入網(wǎng)應答。對于新入網(wǎng)的節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡ID號，以及測試信息，獲取信號強度的RSSI值。圖4-1參考節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡流程4.3參考節(jié)點與其它節(jié)點通信參考節(jié)點與其他節(jié)點的通信主要可以分為三種，一、參考節(jié)點接受其他節(jié)點發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)；二、參考節(jié)點可以對網(wǎng)絡中的移動節(jié)點進行定位操作；三、查找網(wǎng)絡中的節(jié)點，將監(jiān)控主機的控制命令進行轉發(fā)。當參考節(jié)點周期性的發(fā)出定位指令，要求對網(wǎng)絡中的移動節(jié)點進行定位時。首先應該喚醒定位節(jié)點的定位引擎，當定位節(jié)點確認后，將自身的位置坐標（X,Y）值和RSSI值一同發(fā)送給定位節(jié)點。參考節(jié)點不參與節(jié)點的定位計算，將接收到的位置坐標信息上傳給監(jiān)控主機。圖4-2參考節(jié)點獲取定位節(jié)點位置信息的流程圖5.定位節(jié)點程序設計定位節(jié)點是無線定位系統(tǒng)中的移動節(jié)點，它是通過參考節(jié)點的已知坐標和相關信息來計算自身坐標值的節(jié)點，是ZigBee網(wǎng)絡中的路由器。定位節(jié)點通過內置的ZigBee模塊，能夠與離自己近的參考節(jié)點通信，根據(jù)參考節(jié)點傳送的所有信息和相應的定位算法來計算出自己的坐標信息。本系統(tǒng)使用以帶有定位引擎的CC2431芯片進行開發(fā)設計的模塊作為定位節(jié)點。5.1定位節(jié)點的主要功能定位節(jié)點是網(wǎng)絡中的動態(tài)節(jié)點。主要有以下三大功能：一、數(shù)據(jù)傳輸功能。通過周期性的啟動傳感器，對學生考勤進行檢測，然后讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給參考節(jié)點；二、路由功能，能夠轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包。三、實現(xiàn)自身定位功能，應答參考節(jié)點的定位命令并運用定位算法來計算自身的坐標位置。5.2定位節(jié)點與參考節(jié)點建立通信定位節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)向參考節(jié)點進行發(fā)送，首先要向參考節(jié)點發(fā)送連接請求，確認參考節(jié)點是否空閑，若空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結束標志，由參考節(jié)點判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完成。若完成則釋放鏈接，若未完成則在連接釋放后繼續(xù)向參考節(jié)點發(fā)送連接請求。圖5-1定位節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸流程圖5.3定位節(jié)點實現(xiàn)定位定位節(jié)點通過接受定位區(qū)域內所有參考節(jié)點的RSSI值后，選擇定位子區(qū)域內的參考節(jié)點，并向其發(fā)出計算（A,n）的請求，根據(jù)前文提到的定位算法進行定位。5.3.1定位節(jié)點的數(shù)據(jù)采集定位節(jié)點可以與傳感模塊通過周期性問詢實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)采集功能。定位節(jié)點首先發(fā)出問詢信號，喚醒處于休眠狀態(tài)的傳感器，進入工作狀態(tài)。發(fā)送啟動信號，若啟動不成功，則繼續(xù)發(fā)送啟動信號。若成功則定位節(jié)點發(fā)出測量命令，傳感器開始進行數(shù)據(jù)測量。測量結束后又傳輸至定位節(jié)點。圖5-2定位節(jié)點采集收集流程圖5.3.2定位節(jié)點的時間間隔設計本文根據(jù)考勤需要將定位時間間隔設計如下上午時間:8:10定位一次，并將定位信息上傳監(jiān)控中心，完成第一小節(jié)課考勤。8:10以后定位系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，等待下次激活。9:10進行一次定位，完成第二小節(jié)課考勤。10:10進行一次定位，完成第三小節(jié)課考勤。11:10進行一次定位，完成第四小節(jié)課考勤。下午時間：2:30進行一次定位，并將定位信息上傳監(jiān)控中心，完成下午第一小節(jié)課考勤。3:25進行一次定位，完成第二小節(jié)課考勤。晚上時間：7:00進行一次定位，8:30進行一次定位，9:30再進行一次定位，完成晚自習考勤。夜間系統(tǒng)將處于休眠狀態(tài)。以上設計主要以我院上課時間點來完成人員考勤。由于上課期間人員流動不大，因此無需定位。這樣做的好處是更加突出低功耗的特點，同時也大大降低了成本。還有另外一個優(yōu)勢就是當每定位一次，根據(jù)每個教室是否發(fā)送定位數(shù)據(jù)便可判斷，該教室是否被利用。需要教室的人員在終端設備處將會很輕松地得到空閑教室的信息，這樣既節(jié)省時間又不耽誤事。當然，各學?？梢愿鶕?jù)需要規(guī)定定位時間，更好的完成考勤。5.4整個定位系統(tǒng)的定位過程整個定位系統(tǒng)由控制管理中心、參考節(jié)點及定位節(jié)點構成。一般來說，定位節(jié)點攜帶者包含CC2431定位引擎芯片，定位引擎通過無線測距范圍內應答的參考節(jié)點坐標以及發(fā)送給這些參考節(jié)點信息的RSSI值完成定位運算。定位節(jié)點首先發(fā)出一定時序的RSSIBlast信息廣播，當?shù)却ㄎ还?jié)點已配置完成規(guī)定的時間間隔后，定位節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)出XY——RSSI請求廣播信息，每一個接受到RSSIBlast信息廣播的參考節(jié)點將接受到信息的RSSI值計算，當接受到XY——RSSI請求時，參考節(jié)點將向定位節(jié)點發(fā)回其位置信息以及RSSI值。圖5-3定位系統(tǒng)的定位時序圖6.控制中心軟件設計控制中心收集的主要信息是由ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點采集到的位置和環(huán)境數(shù)據(jù)，并在控制計算機上顯示和處理，方便了管理人員觀察和查詢。本文將控制中心設計成數(shù)據(jù)庫模式，以各個系為單位，也可以以各班為單位建立數(shù)據(jù)庫。將學生出勤記錄在內，這樣將節(jié)省管理人員和教師考勤的時間和精力，