基于RFID技術的考勤系統(tǒng)設計

評分****大學研究生課程考試試卷考試科目物聯(lián)網(wǎng)工程考試時間學號姓名***所屬學院******學院類別〔碩士、博士、進修生〕碩士評語：任課教師簽名：基于RFID技術的考勤系統(tǒng)設計摘要本課題的目標是開發(fā)一個企業(yè)對員工的出勤情況進行記錄和管理的考勤系統(tǒng)。課題主要設計了一款低本錢高性能的RFID卡片讀寫器。根據(jù)軟件開發(fā)理論、信息系統(tǒng)開發(fā)理論、工程管理理論等進行分析、指導并設計出基于RFID卡的身份識別考勤系統(tǒng)。RFID卡片讀寫器在電路設計上需要出實現(xiàn)低本錢高性能，而考勤系統(tǒng)那么突出了方便簡潔的管理功能。整個RFID考勤系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)〔或模塊〕：RFID卡片讀寫器、無線/串行通信模塊、身份識別考勤系統(tǒng)。讀寫器解碼并將卡片的身份信息通過串口/無線通信模塊發(fā)送給PC機的身份識別考勤系統(tǒng)進行考勤記錄與管理，實現(xiàn)了從RFID卡片讀取、數(shù)據(jù)傳輸、考勤記錄與統(tǒng)計等一系列功能的完整系統(tǒng)實現(xiàn)方案，改良了現(xiàn)有的考勤方式，提高了考勤效率。系統(tǒng)硬件局部的工作包括：RFID卡片讀寫器的單片機控制電路設計、讀寫器的RFID調(diào)制解調(diào)射頻前端電路設計、NRF24L01無線通信模塊設計、PL2303的USB-UART串行通信模塊設計。系統(tǒng)軟件局部的工作包括：系統(tǒng)的上位機采用客戶端/效勞器模式，后臺數(shù)據(jù)庫使用SQLServer數(shù)據(jù)庫管理軟件，基于VisualC++的數(shù)據(jù)庫SQL語言操作、USB-UART串行通信與數(shù)據(jù)流處理、LZW數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮等。結(jié)果說明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根本的考勤功能，具有較高的平安可靠性。關鍵詞：射頻身份識別考勤上位機無線串行通信引言在高校管理中，學生是學校里最大群體，其管理十分復雜。由于每門課的出勤情況直接影響學生在某門課結(jié)束后，能否參加這門課的考試。所以，學生的出勤率直接和學生順利完成學業(yè)有著密切相關的聯(lián)系。由于高校上課還存在著一位教師上多個班級，或者一位教師上大課等特點，用傳統(tǒng)的點名考勤的方法，不僅會占用大量的上課時間，而且也不能真實的反映學生的到課情況，導致學生出勤情況的報告與統(tǒng)計工作難度極大。雖然每個的任課老師都參與考勤信息的收集，但考勤信息的匯總和統(tǒng)計仍很繁瑣。本文主要針對當前學生考勤管理工作中存在的一些缺乏，設計一個基于RFID技術的考勤管理系統(tǒng)，提供一個包括信息采集、考勤統(tǒng)計和查詢、考勤分析三大功能的管理平臺，為教師和教學管理部門提供實時、動態(tài)的考勤信息，從而到達提高管理效率的目的。RFID技術及其應用介紹2.1RFID技術概述RFID〔RadioFrequencyIdentification〕是一種近年來興起的、廣泛應用于人流和物流管理方面的新技術。該技術集編碼、載體、非接觸自動識別與通信等多種技術于一體，通過射頻信號自動識別高速運動對象．并能同時識別多個標簽，獲取相關數(shù)據(jù)。主要應用目標是實現(xiàn)信息系統(tǒng)的自動化信息采集，保證被識別對象的信息化管理。RFID技術的根本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息〔PassiveTag，無源標簽或被動標簽〕，或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號〔ActiveTag，有源標簽或主動標簽〕，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)行有關數(shù)據(jù)處。一套完整的RFID系統(tǒng)，是由讀寫器〔Reader〕與電子標簽〔TAG〕也就是所謂的應答器〔Transponder〕及應用軟件系統(tǒng)三個部份組成,其工作原理是Reader發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder，用以驅(qū)動Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應用程序做相應的處理。2.2RFID技術主要應用總的來說，RFID技術的主要應用包括：物流和供給管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件/快運包裹處理、文檔追蹤/圖書館管理、動物身份標識、運動計時、門禁控制/電子門票、道路自動收費、城市一卡通的應用、高校一卡通的應用、倉儲中塑料托盤、周轉(zhuǎn)筐中的應用等。考勤系統(tǒng)硬件電路設計3.1系統(tǒng)綜述整個RFID考勤系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)〔或模塊〕：RFID卡片讀寫器〔工作于主機模式〕、RFID卡片讀寫器〔工作于從機模式〕、考勤系統(tǒng)PC端，其中主要的模塊為無線/串口通信模塊。RFID讀寫器由它們的關系如圖1所示。圖1系統(tǒng)的整體框圖3.2RFID卡片讀寫器設計RFID卡片讀寫器作為考勤系統(tǒng)的終端，主要負責接收、解析上位機送來的數(shù)據(jù)包，并控制無線/串行通信模塊的工作，以及實時獲取RFID卡片的信息并反應給計算機考勤系統(tǒng)。單片機相對于計算機來說更低級，因此也形象地把單片機及其外圍電路組成的RFID卡片讀寫器統(tǒng)稱為下位機系統(tǒng)，對應地把運行在計算機上的考勤系統(tǒng)稱為上位機系統(tǒng)。3.3RFID調(diào)制與解調(diào)前端電路設計本設計選用的是EM4100系列的低頻RFID卡片，RFID讀寫器〔Transceiver〕和RFID卡片〔Transponder〕的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2RFID讀寫器和卡片的結(jié)構(gòu)示意圖125kHz的低頻RFID卡片通信，需要125kHz的載波信號來驅(qū)動RFID天線，這里正好使用單片機Atmega8內(nèi)部的PWM模塊，通過程序設置模塊參數(shù)，使其輸出125kHz占空比為50%的方波信號。由于單片機輸出的PWM方波信號驅(qū)動能力有限，因此使用配對的小功率晶體管8550和8050組成的推挽功放電路對載波的功率進行放大。放大后的載波信號加載到RFID天線上，RFID天線實際上是一個由多匝細銅絲繞成的電感線圈和一個電容器組成的LC諧振器。當RFID卡片進入感應區(qū)時，卡片會重復地發(fā)送自己的ID信息，這時就有信號耦合到RFID天線上，經(jīng)過二極管D2〔1N4148〕檢波后得到調(diào)制信號的包絡。這個包絡就包含了卡片ID的曼切斯特編碼信息。通過運放LM358對包絡信號進行放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)器對波形進行整形，便得到了標準的曼切斯特編碼信號。這時候就可以把這個信號送給單片機進行解碼了。3.4無線/串行通信模塊設計3.4.1NRF24L01無線通信模塊由于RFID卡片讀寫器需要脫機使用的功能，其與上位機的數(shù)據(jù)交換還需要采取無線通信的方式。為了方便起見，選擇nRF24L01無線通信芯片。NRF24L01是Nordic公司生產(chǎn)的一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式〔掉電模式和空閑模式〕使節(jié)能設計更方便。3.4.2USB-UART串行通信模塊單片機等數(shù)字電路在進行串行通信時一般使用的是TTL電平，而計算機的串口那么是使用的RS-232電平，雖然兩者的可以通過MAX232芯片進行相應的電平轉(zhuǎn)換，但畢竟RS-232通信接口數(shù)據(jù)低速接口，目前的計算機已經(jīng)根本上淘汰了該接口，USB接口那么非常普遍，因此使用USB-UART轉(zhuǎn)換芯片PL2303實現(xiàn)兩者的通信。使用PL2303將USB擴展為UART通信接口需要給計算機安裝相應的USB驅(qū)動程序。驅(qū)動程序安裝后，計算機就會把PL2303識別成一個通信接口，通過計算機的設備管理器可以查看。所有電路使用AltiumDesigner設計，整個RFID讀寫器〔下位機系統(tǒng)〕繪制好的PCB幅員如圖3所示：圖3RFID讀寫器PCB頂層視圖考勤系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用VisualC++編寫，涉及到窗口創(chuàng)立、數(shù)據(jù)庫管理、串行通信等操作。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括：1〕啟動時輸入用戶名及密碼，自動識別用戶身份〔管理員/普通用戶〕，登陸后自動切換到相應模式〔管理模式/普通模式〕；2〕系統(tǒng)主界面菜單欄包括以下工程：“文件〞：導出用戶數(shù)據(jù)，打印用戶數(shù)據(jù)，退出系統(tǒng)；“查看〞：查看庫存用戶數(shù)據(jù)列表〔編號、用戶名、考勤情況等〕、具體調(diào)出查看指定用戶的詳細數(shù)據(jù)；“管理〞：〔限管理模式〕：身份信息關聯(lián)、終端設備〔檢測、添加、刪除、修改設備參數(shù)〕、權(quán)限管理〔添加、刪除、修改管理員用戶名和密碼〕；“幫助〞：翻開說明文件；“關于〞：顯示軟件名稱、開發(fā)人員/單位/時間、權(quán)限聲明；3〕系統(tǒng)主界面操作區(qū)包括以下工程：用戶數(shù)據(jù)：查看數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有用戶的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；用戶考勤：對用戶交費情況進行記錄和操作；用戶查詢：按指定條件查詢某用戶；用戶操作：進行用戶的添加、刪除、修改和詳細信息查看；終端相關：選中用戶后對其設備進行訪問或修改，更新用戶考勤數(shù)據(jù)；用戶數(shù)據(jù)顯示區(qū)：綜合顯示查詢得到的用戶數(shù)據(jù)。4.2系統(tǒng)主界面根據(jù)前面章節(jié)的需求分析和結(jié)構(gòu)規(guī)劃，設計的系統(tǒng)主界面如圖4所示。系統(tǒng)的主界面提供了用戶查詢、用戶操作、終端相關的三大類快捷工具欄，這樣能更好地方便用戶進行相應管理操作。同時頂部的菜單欄采用下拉方式給用戶提供所有相同的功能。圖4系統(tǒng)主界面截圖4.3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計4.3.1數(shù)據(jù)庫的建立上位機需要管理各下位機終端的ID，為其進行統(tǒng)一編址；收集各RFID卡片讀寫器終端的地址、設備類型等數(shù)據(jù)，并將各個數(shù)據(jù)進行存檔、統(tǒng)計，以供管理員操作。數(shù)據(jù)庫使用MicrosoftAcess建立，數(shù)據(jù)庫中新建了兩個表單，一個是用于存儲被考勤的用戶信息的“用戶數(shù)據(jù)表〞，另一個是用于存儲軟件用戶賬戶信息的“軟件賬戶數(shù)據(jù)表〞。用戶數(shù)據(jù)表包括以下字段：自動編號、RFID編號、用戶姓名、學號、寢室號。聯(lián)系、缺勤次數(shù)、出勤率、入網(wǎng)時間。各項字段的數(shù)據(jù)類型如圖5所示。圖5用戶數(shù)據(jù)庫的字段及其數(shù)據(jù)類型4.3.2數(shù)據(jù)庫的訪問因為VisualC++和ACCESS都是Microsoft公司基于Windows開發(fā)的，兩者能夠通過控件輕松實現(xiàn)無縫對接。ACCESS提供SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫，例如最常用的SELECT語句。而在VisualC++中，也提供數(shù)據(jù)庫訪問控件，通過控件，就可以使用SQL語言對數(shù)據(jù)庫進行訪問，只不過操作語句是以字符串參數(shù)的形式傳遞給函數(shù)罷了。4.3.3數(shù)據(jù)庫的壓縮上位機系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)雖然使用了數(shù)據(jù)庫進行組織和管理，但是沒有解決數(shù)據(jù)量大，占用大量存儲空間的問題，因此有必要引入數(shù)據(jù)壓縮算法對這些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進行有效的壓縮從而節(jié)約存儲空間。這里主要采用LZW算法。LZW算法的主要思想是在將要壓縮的文本中，自動地建立一個先前已經(jīng)見過的字符串的字典。這些字典并不需要與這些壓縮的文本一起被傳輸，因為只要壓縮時能夠正確地編碼，解壓時也能夠依照壓縮時一樣的方法恢復重建出相同的字典，它將會有與壓縮時字典在文本的同一點有同樣的字符串。4.4系統(tǒng)PC端軟件流程圖考勤系統(tǒng)PC端的程序流程圖如圖6所示，軟件啟動后，用戶需輸入用戶名和密碼才能夠登陸，登陸胡系統(tǒng)首先初始化通信參數(shù)，隨后連接無線/串行通信模塊，如果連接成功那么進入程序的主循環(huán)；如果連接失敗那么提示用戶。程序的主循環(huán)會隨時根據(jù)用戶的操作進行相應的事件響應，例如查詢用戶、連接設備、打印報表等。如果用戶的操作涉及到域RFID卡片讀寫器通信，那么上位機通過無線/串行通信模塊向RFID卡片讀寫器發(fā)送相應的命令包，在收到RFID卡片讀寫器響應后進行相應的數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)壓縮后存入數(shù)據(jù)庫。圖6系統(tǒng)PC端軟件的流程圖結(jié)束語本課題的目標是開發(fā)一個企業(yè)對員工的出勤情況進行記錄和管理的考勤系統(tǒng)