基于RFID技術(shù)的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

------------------------------------------------------------------------基于RFID技術(shù)的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究生課程考試試卷考試科目物聯(lián)網(wǎng)工程考試時(shí)間學(xué)號姓名***所屬學(xué)院******學(xué)院類別（碩士、博士、進(jìn)修生）碩士評語：任課教師簽名：基于RFID技術(shù)的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本課題的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)企業(yè)對員工的出勤情況進(jìn)行記錄和管理的考勤系統(tǒng)。課題主要設(shè)計(jì)了一款低成本高性能的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、項(xiàng)目管理理論等進(jìn)行分析、指導(dǎo)并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上需要出實(shí)現(xiàn)低成本高性能，而考勤系統(tǒng)則突出了方便簡潔的管理功能。整個(gè)RFID考勤系統(tǒng)主要包括三個(gè)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(jī)的身份識別考勤系統(tǒng)進(jìn)行考勤記錄與管理，實(shí)現(xiàn)了從RFID卡片讀取、數(shù)據(jù)傳輸、考勤記錄與統(tǒng)計(jì)等一系列功能的完整系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，改進(jìn)了現(xiàn)有的考勤方式，提高了考勤效率。系統(tǒng)硬件部分的工作包括：RFID卡片讀寫器的單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、讀寫器的RFID調(diào)制解調(diào)射頻前端電路設(shè)計(jì)、NRF24L01無線通信模塊設(shè)計(jì)、PL2303的USB-UART串行通信模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件部分的工作包括：系統(tǒng)的上位機(jī)采用客戶端/服務(wù)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)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的考勤功能，具有較高的安全可靠性。關(guān)鍵詞：射頻身份識別考勤上位機(jī)無線串行通信引言在高校管理中，學(xué)生是學(xué)校里最大群體，其管理十分復(fù)雜。由于每門課的出勤情況直接影響學(xué)生在某門課結(jié)束后，能否參加這門課的考試。所以，學(xué)生的出勤率直接和學(xué)生順利完成學(xué)業(yè)有著密切相關(guān)的聯(lián)系。由于高校上課還存在著一位教師上多個(gè)班級，或者一位教師上大課等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的點(diǎn)名考勤的方法，不僅會(huì)占用大量的上課時(shí)間，而且也不能真實(shí)的反映學(xué)生的到課情況，導(dǎo)致學(xué)生出勤情況的報(bào)告與統(tǒng)計(jì)工作難度極大。雖然每個(gè)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(jì)仍很繁瑣。本文主要針對當(dāng)前學(xué)生考勤管理工作中存在的一些不足，設(shè)計(jì)一個(gè)基于RFID技術(shù)的考勤管理系統(tǒng)，提供一個(gè)包括信息采集、考勤統(tǒng)計(jì)和查詢、考勤分析三大功能的管理平臺，為教師和教學(xué)管理部門提供實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的考勤信息，從而達(dá)到提高管理效率的目的。RFID技術(shù)及其應(yīng)用介紹2.1RFID技術(shù)概述RFID（RadioFrequencyIdentification）是一種近年來興起的、廣泛應(yīng)用于人流和物流管理方面的新技術(shù)。該技術(shù)集編碼、載體、非接觸自動(dòng)識別與通信等多種技術(shù)于一體，通過射頻信號自動(dòng)識別高速運(yùn)動(dòng)對象．并能同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。主要應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的自動(dòng)化信息采集，保證被識別對象的信息化管理。RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)行有關(guān)數(shù)據(jù)處。一套完整的RFID系統(tǒng)，是由讀寫器（Reader）與電子標(biāo)簽（TAG）也就是所謂的應(yīng)答器（Transponder）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)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(dòng)Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。2.2RFID技術(shù)主要應(yīng)用總的來說，RFID技術(shù)的主要應(yīng)用包括：物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件/快運(yùn)包裹處理、文檔追蹤/圖書館管理、動(dòng)物身份標(biāo)識、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、門禁控制/電子門票、道路自動(dòng)收費(fèi)、城市一卡通的應(yīng)用、高校手機(jī)一卡通的應(yīng)用、倉儲(chǔ)中塑料托盤、周轉(zhuǎn)筐中的應(yīng)用等。考勤系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)綜述整個(gè)RFID考勤系統(tǒng)主要包括三個(gè)子系統(tǒng)（或模塊）：RFID卡片讀寫器（工作于主機(jī)模式）、RFID卡片讀寫器（工作于從機(jī)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(guān)系如圖1所示。圖1系統(tǒng)的整體框圖3.2RFID卡片讀寫器設(shè)計(jì)RFID卡片讀寫器作為考勤系統(tǒng)的終端，主要負(fù)責(zé)接收、解析上位機(jī)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(shí)時(shí)獲取RFID卡片的信息并反饋給計(jì)算機(jī)考勤系統(tǒng)。單片機(jī)相對于計(jì)算機(jī)來說更低級，因此也形象地把單片機(jī)及其外圍電路組成的RFID卡片讀寫器統(tǒng)稱為下位機(jī)系統(tǒng)，對應(yīng)地把運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的考勤系統(tǒng)稱為上位機(jī)系統(tǒng)。3.3RFID調(diào)制與解調(diào)前端電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(dòng)RFID天線，這里正好使用單片機(jī)Atmega8內(nèi)部的PWM模塊，通過程序設(shè)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(jī)輸出的PWM方波信號驅(qū)動(dòng)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(jìn)行放大。放大后的載波信號加載到RFID天線上，RFID天線實(shí)際上是一個(gè)由多匝細(xì)銅絲繞成的電感線圈和一個(gè)電容器組成的LC諧振器。當(dāng)RFID卡片進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，卡片會(huì)重復(fù)地發(fā)送自己的ID信息，這時(shí)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(luò)。這個(gè)包絡(luò)就包含了卡片ID的曼切斯特編碼信息。通過運(yùn)放LM358對包絡(luò)信號進(jìn)行放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)器對波形進(jìn)行整形，便得到了標(biāo)準(zhǔn)的曼切斯特編碼信號。這時(shí)候就可以把這個(gè)信號送給單片機(jī)進(jìn)行解碼了。3.4無線/串行通信模塊設(shè)計(jì)3.4.1NRF24L01無線通信模塊由于RFID卡片讀寫器需要脫機(jī)使用的功能，其與上位機(jī)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(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA；接收時(shí)，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(shè)計(jì)更方便。3.4.2USB-UART串行通信模塊單片機(jī)等數(shù)字電路在進(jìn)行串行通信時(shí)一般使用的是TTL電平，而計(jì)算機(jī)的串口則是使用的RS-232電平，雖然兩者的可以通過MAX232芯片進(jìn)行相應(yīng)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(jì)算機(jī)已經(jīng)基本上淘汰了該接口，USB接口則非常普遍，因此使用USB-UART轉(zhuǎn)換芯片PL2303實(shí)現(xiàn)兩者的通信。使用PL2303將USB擴(kuò)展為UART通信接口需要給計(jì)算機(jī)安裝相應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序安裝后，計(jì)算機(jī)就會(huì)把PL2303識別成一個(gè)通信接口，通過計(jì)算機(jī)的設(shè)備管理器可以查看。所有電路使用AltiumDesigner設(shè)計(jì)，整個(gè)RFID讀寫器（下位機(jī)系統(tǒng)）繪制好的PCB版圖如圖3所示：圖3RFID讀寫器PCB頂層視圖考勤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用VisualC++編寫，涉及到窗口創(chuàng)建、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(dòng)時(shí)輸入用戶名及密碼，自動(dòng)識別用戶身份（管理員/普通用戶），登陸后自動(dòng)切換到相應(yīng)模式（管理模式/普通模式）；2）系統(tǒng)主界面菜單欄包括以下項(xiàng)目：“文件”：導(dǎo)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(xì)數(shù)據(jù)；“管理”：（限管理模式）：身份信息關(guān)聯(lián)、終端設(shè)備（檢測、添加、刪除、修改設(shè)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”：打開說明文件；“關(guān)于”：顯示軟件名稱、開發(fā)人員/單位/時(shí)間、權(quán)限聲明；3）系統(tǒng)主界面操作區(qū)包括以下項(xiàng)目：用戶數(shù)據(jù)：查看數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有用戶的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；用戶考勤：對用戶交費(fèi)情況進(jìn)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(jìn)行用戶的添加、刪除、修改和詳細(xì)信息查看；終端相關(guān)：選中用戶后對其設(shè)備進(jìn)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(shè)計(jì)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(guān)的三大類快捷工具欄，這樣能更好地方便用戶進(jìn)行相應(yīng)管理操作。同時(shí)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(shè)計(jì)4.3.1數(shù)據(jù)庫的建立上位機(jī)需要管理各下位機(jī)終端的ID，為其進(jìn)行統(tǒng)一編址；收集各RFID卡片讀寫器終端的地址、設(shè)備類型等數(shù)據(jù)，并將各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔、統(tǒng)計(jì)，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(gè)表單，一個(gè)是用于存儲(chǔ)被考勤的用戶信息的“用戶數(shù)據(jù)表”，另一個(gè)是用于存儲(chǔ)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(dòng)編號、RFID編號、用戶姓名、學(xué)號、寢室號。聯(lián)系電話、缺勤次數(shù)、出勤率、入網(wǎng)時(shí)間。各項(xiàng)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?yàn)閂isualC++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(shí)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)雖然使用了數(shù)據(jù)庫進(jìn)行組織和管理，但是沒有解決數(shù)據(jù)量大，占用大量存儲(chǔ)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(jìn)行有效的壓縮從而節(jié)約存儲(chǔ)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(dòng)地建立一個(gè)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?yàn)橹灰獕嚎s時(shí)能夠正確地編碼，解壓時(shí)也能夠依照壓縮時(shí)一樣的方法恢復(fù)重建出相同的字典，它將會(huì)有與壓縮時(shí)字典在文本的同一點(diǎn)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(dòng)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，如果連接成功則進(jìn)入程序的主循環(huán)；如果連接失敗則提示用戶。程序的主循環(huán)會(huì)隨時(shí)根據(jù)用戶的操作進(jìn)行相應(yīng)的事件響應(yīng)，例如查詢用戶、連接設(shè)備、打印報(bào)表等。如果用戶的操作涉及到域RFID卡片讀寫器通信，則上位機(jī)通過無線/串行通信模塊向RFID卡片讀寫器發(fā)送相應(yīng)的命令包，在收到RFID卡片讀寫器響應(yīng)后進(jìn)行相應(yīng)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(biāo)是開發(fā)一個(gè)企業(yè)對員工的出勤情況進(jìn)行記錄和管理的考勤系統(tǒng)。R