嵌入式RFID校園考勤系統的應用與研究

孫宏偉

0 引言

為了保證教學質量，也為了督促學生積極參加教學活動，上課點名成了大學校園內的一道獨特的風景線，任課的老師通常承擔了義務點名的責任。但這項工作既費時又費力，分散了老師的教學精力，逃課現象也依舊存在，效果并不如人意。

面對這一兩難的窘境，無疑可以用非人工的方式完成這項工作。校園卡如今已經成為了最普遍的標示學生身份的證件，大部分的校園卡還具備了借閱圖書、吃飯、洗浴等功能。

由此，本文將從原理上探討一個可以完成從考勤、記錄保存、記錄查詢，分析一系列步驟的校園卡考勤查詢管理系統。

1 設計思想

基于校園卡現有的RFID無線射頻技術，校園卡考勤，需要得到校園卡的一個唯一標識號即可完成考勤記錄。該考勤系統的基本工作流程如下：

課前學生憑各自的校園卡（基于RFID無線射頻技術）刷卡后進入教室。刷卡成功后 RFID模塊通過 Wiegand-26標準協議，將數據發送給嵌入式終端設備，設備端應用程序，是運行于嵌入式Linux下的后臺應用程序，該程序讀取RFID模塊的傳入信號，并將其解析后，得到一個校園卡的 PID號。

接著，嵌入式設備通過與服務器的 Socket連接，將所有從RFID模塊讀取到的數據連同時間戳以及教室編號，發送至服務器接收程序。

服務器接收程序與嵌入式設備上的發送程序緊密配合，負責將接收到的數據再存儲值入整個系統的“數據中心”——MySQL數據庫中。

最后，應用的中心便建立在這個集中的數據庫中，基于考勤記錄數據，可以進行多方面的應用，本考勤管理查詢系統實現的一個 JSP網站應用，可以通過瀏覽器登錄考勤網站，進行考勤記錄的多功能查詢。

2 嵌入式設備端的應用

2.1 無線射頻技術

考勤系統中最前端的部分，便是嵌入式設備，校園卡普遍采用的是RFID（電子標簽、射頻識別）技術，因此，嵌入式設備端，安裝有一個RFID射頻識別模塊，專門負責讀取校園卡中的ID標志。

RFID射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，可工作于各種惡劣環境。在校園卡考勤這一應用中， RFID系統可以簡單地概括為兩個部分：校園卡和識別校園卡編號的RFID模塊。

在本系統中，唯一需要記錄的是學生持校園卡進行刷卡的校園卡編號和刷卡時間，一旦記錄下這些數據，就可以結合更復雜的后臺數據，支撐起一個比較完整的查詢系統。

RFID模塊使用了標準的 Wiegand-26接口傳輸信號。Wiegand接口通常由3根線組成，分別是：數據0（Data0），數據1（Data1）和Data return。這3條線負責傳輸Wiegand信號。D0，D1在沒有數據輸出時都保持+5V高電平。若輸出為0，則D0拉低一段時間，若輸出為1，則D1拉低一段時間。

考勤系統使用的校園卡識別設備，就是采用Wiegand-26標準協議的，Data0和Data1兩根發送數據信號的線，分別連接到嵌入式設備的兩個IO端口上，在嵌入式Linux操作系統中，通過加載自定義驅動程序來訪問Data0和Data1。

在加載了RFID驅動模塊之后，嵌入式Linux中使用簡單的代碼，就可以對RFID讀卡數據信號進行讀取了。

而在考勤系統中需要使用到的校園卡 PID值，則如前文所述，是wiregen變量中第10位至25位總共16位值。取得校園卡PID值之后，便可將該PID值發送給服務器數據接收程序了。

2.2 Socket連接的通訊技術

取得了能夠區分不同校園卡的 PID值之后，接下來需要將校園卡 PID數據、刷卡所在教室的考勤設備編號、時間發送給遠程服務器。

數據的發送和接收使用的是Socket套接口連接。Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數和例程。

嵌入式終端客戶端采用 C語言編寫，通過 Linux下的Socket與服務器主機上的Java程序建立的服務器Socket相連接。

首先，每一個 Socket連接都有一個整數描述字來唯一地進行標識。另外，客戶端程序需要一個sockaddr_in結構體來指定連接到服務器的地址和端口等信息，接下來，先簡單敘述建立設備端Socket程序的基本流程。

2.2.1 創建TCP套接口

Socket函數創建AF_INET字節流（SOCK_STREAM）套接口。該函數返回了一個整數描述字，在以后的函數調用中，都是用這個整數值來標識這個套接口。

2.2.2 指定服務器IP地址和端口

首先將server結構體清零，服務器的IP地址來自程序執行參數arg[1]，端口號定義為12313，填入sockaddr_in結構體server中。置地址簇為AF_INET。Htons函數意為“從主機到網絡短整數”，將端口地址值轉換成主機無關的網絡字節序。gethostbyname把ASCII字符串參數變換到合適的地址格式。

2.2.3 與服務器鏈接

在對Socket進行上述簡單配置后，即可嘗試用connect函數與服務器進行連接：

嘗試在fd套接口上建立一個到server服務器的連接。其中connect函數的參數fd就是前面建立socket時返回的套接口描述字，而server是描述服務器連接參數的結構體。如果連接成功，該函數返回0，錯誤則返回-1，在終端上會顯示提示連接失敗，并直接退出應用程序，終止數據發送。

2.2.4 與服務器間的通訊

在與服務器成功連接后，就可以使用 send()和recv()函數進行服務器/客戶端之間的信息收發了。考勤系統設備端代碼實現如下：

通過send函數，將data所指向的數據緩沖區中的數據發送的套接口描述字fd所指代的socket連接。發送后執行一次接收函數recv()，該函數的作用旨在發送數據之后總應當要求服務器端作出一個回應。更多的應用甚至可以通過該回應消息來判斷服務器的狀態。

2.2.5 關閉鏈接

當客戶端完成數據的發送，并且得到服務器的適當回應之后，就應該關閉Socket鏈接，以讓操作系統回收該Socket鏈接。

關閉套接口和關閉文件是一樣的，調用close(fd)即可關閉Socket描述字對應的Socket套接口。

2.3 客戶端的數據結構

考勤設備數據發送程序持有 PID數據，但是，為了能夠讓服務器知道客戶端發送來的數據具體是什么內容，在客戶端和服務器之間需要共同遵守一個固定數據序列協議，數據流中的前4個字節表示終端所對應的教室編號（或者可以簡單地看作設備編號），接下來4個字節表示后面緊接著的數據流包含的記錄數量，每條記錄含有10個字節的數據，每條記錄的前2個字節代表刷卡PID值（16位），后8個字節代表產生本條記錄的時間（即刷卡時間）的 64位Timestamp表示法。當所有的數據發送完畢后，是任何情況下都固定不變的3個字節“END”，如果服務器接收時，沒有在結尾處遇到這3個字節的結尾符，那么服務器控制臺將會發出一個警告消息。

在目前的客戶端代碼中，只是簡單地對每一條數據進行一次打包發送（即count=1），當然，如果網絡或其他限制比較嚴重的情況下，完全可以采用更好的算法進行多條數據的打包。

客戶端代碼通過dataPacker()函數對PID進行打包，將教室ID、PID、時間、結尾符填入數據緩沖區后，直接交由Socket函數send()發送給服務器端。

2.4 服務器數據接收

服務器端采用Java程序作為服務器程序，在java.net.*類庫中通過構造一個ServerSocket類的實例就可以使服務器檢測到指定端口的數據。

服務器端 Java程序是 JTeaching Affair Server，JTeaching Affair Server的主類是org.sun.ts.ui.System Controller，這個類就包含有一個私有的java.net.Server Socket對象，在程序初始化時創建，監聽端口12313上的Socket連接請求，然后程序就進入一個無限循環，每當 server.accept()返回時就建立一個Receiver線程來進行數據接收，主線程進入下一次循環，等待下一個 Socket連接請求，因此，無論客戶端同時發起多少個 Socket連接請求，都不會被阻塞，而是直接得到服務器的響應。

Receiver是自定義的一個System Controller類的靜態內部類，繼承自Thread類：在這個專門用來接收數據的類中，由線程主體run()函數來完成處理邏輯。在Receiver類的構造函數中，會將參數提供的socket連接引用保存的自己的私有成員變量中供 run()使用，在 run()函數中，按照客戶端/服務器共同遵守的打包/解包協議進行數據傳輸處理，分別接收教室 ID，記錄數量，各條記錄以及結尾字符串。Java中對socket連接數據的讀取和發送，已經被抽象成為最普通的緩沖區讀寫操作，

首先獲得socket連接上的輸入流對象，然后將其作為構造參數構造一個 java.io.Input Stream Reader對象，專門用于進行流讀取操作，但 Input Stream Reader類依然是一個相對底層的IO操作類，因此，這里再一次將其作為構造參數，將實際是對 socket數據流的操作，最終委托給高度抽象的Buffered Reader對象。

按照之前定好的通訊協議，數據流中的前4個字節代表的是考勤設備編號（或者可以等價地說是教室編號）：

int room = in.read()*1000 + in.read()*100 + in.read()*10+in.read();

設備編號讀取完，接下來的連續四個字節代表的是本數據包所包含的記錄條數，利用同樣的方法進行解析：

有了上述數據，便可推算出整個數據包剩余的字節數量，進而對其中包含的數據記錄逐一進行解析。總的思想如下：

讀取記錄PID值，占兩字節；

讀取記錄時間戳，占8個字節；

將 PID、時間戳、連同教室編號信息數據存入考勤記錄數據庫中；

}

接下來逐步解決上述思想中的各個步驟。

首先，取得PID值，即數據條目的前兩個字節：

接著連續8個字節表示時間，這里8個字節實際表示的是一個64位整數，是標準的Timestamp表示法，即從1970年1月1日0時0分0秒起至今的毫秒數，數據取法同取PID值類似，每取一個字節進行一次移位即可。

然后，Timestame對象有一個構造函數可以直接接受一個64位的long值參數作為時間戳數據。

這樣一來，考勤數據庫記錄所需要的校園卡 PID值、刷卡時間值、刷卡教室編號都已經成功獲取，利用MySQL數據庫Java Connector接口，將上述數據逐條插入到數據庫表中記錄。每取到一條記錄，就使用INSERT語句將其插入到數據庫的primitive表中：

當處理完所有的數據，檢查好結尾符后，就要關閉數據庫連接，方法是類似的，只要對所創建的java.sql.Connection類對象實例調用其close方法即可。接著向客戶端發送一條提示消息，以表示正常接收了，Java中字符串是UTF-8編碼的，而這條消息此處只包含了英文，因此嵌入式Linux終端可以正常顯示。

這樣，服務器端一個線程的數據接收就基本結束了，最后調用Socket對象的close()方法關閉這個Socket連接，釋放系統資源，就完成了從客戶端到服務器數據傳輸的整個過程。

3 考勤記錄的數據庫

存儲考勤記錄的數據庫，采用開放源代碼的MySQL數據庫，作為考勤管理查詢網站的后臺數據庫。MySQL是一個開放源碼的小型關系型數據庫管理系統，具有體積小、速度快、總體擁有成本低等特點。

考勤記錄數據庫涉及的所有數據庫表編碼，都采用utf-8格式編碼，即MySQL默認編碼就設定成utf-8。也可以在數據表定義時加上后綴DEFAULT CHARSET=utf8來特別設定編碼。

接下來，是整個查詢系統所涉及到的所有考勤記錄相關數據庫表。

teachingaffiar數據庫共有9個表格，如圖1所示：

圖1 teachingaffair數據庫

建立好上述數據庫環境后，即可在服務器程序和JSP網站中對數據庫進行操作了。要在 Java程序中使用 MySQL數據庫，需要使用MySQL connector for Java，對于一般的Java應用程序在 CLASS PATH 中加入對mysql-connector-java-5.1.6-bin.jar的引用即可，對于Web網站，需要在網站根目錄/WEB-INF/lib中有 mysql-connectorjava-5.1.6-bin.jar這個文件。

在完成對本次鏈接的操作后需要用 conn.close()關閉此次數據庫鏈接，釋放相關資源。

4 建立查詢網站

4.1 網站頁面

JSP頁面由HTML代碼和嵌入其中的Java代碼所組成。考勤管理查詢系統的JSP考勤查詢網站中，頁面內容在很大程度上，僅僅依靠XHTML配合Javascript呈現動態頁面，JSP指令在頁面中，承擔的主要責任是一些動態的地址賦值和身份驗證賦值運算。而Java Servlet則負責對HTTP請求產生動態的 XML文檔輸出。XML文檔在考勤管理查詢網站中，承擔著極其重要的中間人角色，在服務器——網站頁面——用戶之間建立了一座簡單通用的數據呈現的橋梁。

4.2 功能頁面

JSP頁面按各種功能分類進行頁面組織，首先在 Web根目錄下有一個 index.jsp表示系統首頁，用作用戶驗證登錄界面。所有頁面必須要用戶登錄之后才可見，本系統使用session設置用戶身份驗證來阻止未登錄用戶訪問受限制頁面。

主要頁面分：以學生、課程、教師為主要條件的查詢頁面；分別添加學生、班級、教師的添加操作頁面；一些輔助頁面，如導航側邊欄、標題欄、腳注欄等，都以內嵌頁面的方式嵌入在上述主要頁面中。

4.3 主要頁面流程

在眾多頁面中，pageTitle.jsp是secure目錄下，所有主要頁面都包含的子頁面，是代表頁面標題的內嵌頁。pageFoot.jsp則是secure目錄下，所有主要頁面都包含的代表頁面頁腳的內嵌頁。

Navigator.jsp是大部分主頁面共有的一個位于頁面左側的導航欄內嵌頁面。如果用戶是按照正常的流程登錄到secure下的頁面的，注意到實際“登錄”按鈕執行的是Javascript腳本函數 jsActionLogon()，該腳本函數完成一個很簡單的登錄流程。

一旦登錄成功，用戶的信息將被保存在相應session的userSig屬性中，無論用戶定位到secure目錄下的哪個頁面中，都可以正常訪問了。

queryStudent.jsp是一個查詢特定學生某一門課的考勤記錄的頁面。打開該頁面的初始情況，如圖2所示：

圖2 學生查詢

在姓名一欄中輸入學生姓名，在時間過濾中選擇要查詢的課程年份，點擊“繼續”按鈕后會出現一個列表框，顯示所有符合過濾條件的學生學號，隨后選擇需要查詢的學號，點擊“繼續”按鈕，系統會在列表中顯示該學生在該學年中參與的所有課程，選擇要查詢的課程，再點擊“繼續”按鈕，表格即顯示該學生的所選課程的考勤記錄，內容包含4個主要字段：“上課時間”、“刷卡時間”、“教室”和“狀態”。此外，當鼠標移動到“上課時間”的數據上時，同時顯示出下課時間（預設每堂課課時為40分鐘）。

5 總結

整個實現通用的流程如下：

1) 建立XMLHttpRequest請求，向服務器發出HTTP POST請求。

2) 在成功得到服務器正確響應的情況下，利用 Mootools提供的腳本功能，迭代XML文檔中的item元素，并為每一個item元素的子項構造單元格。

3) 對XML文檔中的相對原始數據進行一定的計算處理，并在相應的單元格中，顯示相對應的計算結果，比如是否遲到的判定，是通過Javascript腳本中計算XML文檔中，提供的數據得到的，而不是服務器直接判定好的狀態結果。

4) 每處理一個item元素，就表示表格中的一行數據，切換當前行的背景顏色。

5) 完成表格的創建。如果可選的“下載Excel表格”或者“發送Email”被選擇了，那么在服務器上，會另外產生一個URL地址，可以形成一份當前記錄表格的Excel表格文檔，和一封HTML表格方式組織的自動EMail發送到指定的郵箱地址中。

[1]Richard Stevens W、Bill Fenner、Andrew M.Rudoff，UNIX Network Programming(Volume 1):The Sockets Networking API,Third Edition，The People's Posts and Telecommunications Press，2010.7.1

[2]Paul DuBois，MySQL [M]Cookbook(2th Edition)，O’Reilly，2006.11

[3]張洪偉，Tomcat Web開發及整合應用，[R]清華大學，2006.2.1

[4]劉曉華、張健、周慧貞，JSP應用開發詳解，[j]電子工業，2007.1

[5]David Flanagan，JavaScript權威指南，[C]O’Reilly，2007.5

[6]夏慧軍、魏雪輝，深入淺出Ajax，[j]電子工業，2007.4