電子標簽遠距離的考勤運用

游曉容，楊張利

(1.重慶機械電子高級技工學校，重慶 400033;2.重慶電子工程職業學院，重慶 401331)

一、緒論

中國的職業教育為社會輸出了許多優秀的初、中、高級專業技術人員，在整個教育體系中處于十分重要的位置。由于職業教育以服務為宗旨、就業為導向，因此指導思想更加明確，整體發展充滿活力，中國中等職業教育學生的就業率一直保持在95%以上。中等職業教育的大門向任何一個有意愿的初中畢業生和社會人員敞開。根據調查得知，目前我國技校學生大部分都是屬于初中畢業生，由于他們初中學習不太理想，覺得考大學無望，因此他們選擇了技校學習技能并早日踏入社會這條道路。由于這部分學生大多數都比較調皮和淘氣，而且叛逆，因此不太遵守學校的校規校紀。

學校根據傳統的人工考勤方式對學生在出早操、正常行課、晚上就寢等的日常考勤就會顯得特別繁瑣，而且誤差也多。目前技校甚至包括許多小學、初中、高中對學生的考勤基本都是人工，每個學校都已經出現了相應的弊端，這給所有中等職業學校的管理提出了嚴峻的考驗。

基于中國職業學校存在的管理問題，結合當前職業學校學生的特點，我們利用RFID技術和局域網技術開發一套能夠解決技校考勤的管理系統。中職學校考勤管理系統的設計，可以從根本上解決學生的管理問題，兼顧家長和學校的利益，減輕了家長的思想負擔，同時也方便了學校的管理，特別是人身安全的保障，促進了社會的和諧發展，提高了人民的生活質量，因此該系統的設計是家長、學校、學生的根本保障。

二、方案論述

(一)RFID技術

射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)俗稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術，通過對實體對象進行有效標識，它可快速、實時、準確采集和處理對象信息。它是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

隨著RFID技術的日漸成熟，以RFID系統為信息載體的安全可靠管理系統應用而生，RFID技術及其廣泛的運用領域和巨大的市場成為我國經濟信息化建設的杰出代表和發展方向。與此同時，對能實現自動考勤、管理、報警等安全系統的研究具有廣泛的應用前景和重要的科學意義以及巨大的社會經濟效益，對改變以前人工考勤和管理中出現的漏洞和弊端以及出現的安全隱患起到了重要的作用。

(二)方案的選擇

由于中職學校學生的人數越來越多，考勤越來越難，因此該考勤系統具備如下特點:(1)實時考勤;(2)存儲功能;(3)查詢功能;(4)分機負責、主機統一管理方式;⑸局域網共享等功能。通過分析，采用2.4G RFID電子標簽作為考勤的載體，SQL SERVER服務器作為電子標簽存儲介質，計算機組成局域網網絡，通過強大的C++語言連接SQL服務器查詢RFID信息，調用Socket()類來進行計算機之間的網絡數據傳輸，顯示RFID信息，采用MFC做上位機界面。

三、系統簡介

根據系統要求實行多點考勤方法，在不同的地方放置一套RFID考勤機，這不僅解決了設計上的難度，而且擴大了無線檢測的范圍，能對學生上課情況、回宿舍(歸寢)情況、進出校門情況等進行檢測。由于對多點進行布控需要將數據進行匯總，才能夠方便統一進行查詢和管理，所以本系統將各點的RFID考勤機采集到的學生信息通過交換機進行數據傳輸匯總到監控室(學生科)。各分點RFID考勤機由RFID采集終端和電腦構成，并將本點的所有采集數據在本地計算機上位機實時顯示，同時采集的數據信息存入計算機的SQLSEVER服務器供上位機界面進行本地查詢。另外，上位機界面后臺將學生考勤信息遵循TCP-IP網絡協議傳輸匯總到監控室(學生科)計算機主機，主機根據各分點上傳的學生信息進行匯總并顯示到主機上位機界面，同時將收集的數據信息存入主機的SQLSEVER服務器供主機進行查詢。

四、內容設計

(一)RFID底層硬件

本系統選用兩塊單片機協調工作。主讀寫模塊(MCU2)負責接收計算機發來的數據信息，并解析計算機發送的命令告訴從讀寫模塊(MCU1)執行響應動作。MCU1負責檢測范圍內的RFID卡，如果檢測到RFID卡后立刻告知MCU2，MCU2將信息上傳給計算機串口，上位機串口接收到信息后進行數據存貯和顯示。

1.硬件電路構成

(1)nRF24LE1:采用NORDIC最新推出nRF24LE1這塊芯片，它集成了2.4GHz+Flash 51+ADC+DAC+I2C+PWM+UART+SPI。nRF24LE1采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術。在一個極小封裝中集成了包括2.4GHz無線傳輸，增強型51 Flash高速單片機，豐富外設及接口等的單片Flash芯片，是一個綜合了性能及成本的完美結合，很適合應用于各種2.4GHz的產品設計。應用于無線鼠標、無線鍵盤、無線搖桿玩具、無線遙控、醫學參數監測、無線語音、工業控制及無線數據采集。

(2)MAX3232串口通信模塊:主要提供計算機和MCU2(主)之間的通信。MAX3232為3.3 V供電，用于3.3 V單片機系統中，NRF24LE1單片機為低功耗單片機，MCU2將MCU1傳來的RFID信息通過MAX3232發送給計算機串口。

(3)ISP程序下載端口:可提供給兩塊單片機獨立的下載接口。

(4)接口端:兩塊單片機 SPI(sck，mosi，miso)通訊端口，NRF24LE1單片機內部自帶SPI硬件資源，使用非常的方便，程序中設計幾個相應的寄存器作為操作發送和接受數據。

(5)MCU2與計算機串口 TXD、RXD、GND、VCC 接線端。底板上的TXD、RXD要與計算機 DB9接頭的RXD、TXD交叉接線，即RXD—TXD，TXD—RXD，GND—GND，這樣才能正確收發數據。

(6)復位電路:MCU1、MCU2單片機分別擁有復位電路，51內核單片機都是低電平復位，按下該鍵系統初始化，做好數據接收的準備。

2.底層硬件實物圖

功能說明:MCU1接受MCU2的命令，獲取RFID信息并傳給MCU2。

MCU2接收計算機串口數據，并指揮MCU1執行響應命令(如:增加發送功率，上報RFID模式:主動發送或被動發送)，MCU2將MCU1接收到的RFID學生信息上傳至計算機串口。產品實物圖如圖1所示。

圖1 產品實物圖

(二)RFID底層軟件設計

1.底層軟件功能

主讀寫模塊程序(MCU2)功能:通過串口上報主讀寫器從從讀寫器識別到的標簽信息，向標簽下發休眠/喚醒指令，切換標簽工作狀態，向標簽下發射頻信號強度，配置指令，調節標簽信號發射距離，通過SPI接受從讀寫模塊識別到的標簽ID信息并主動發送自身信息(ID編號+射頻信號強度)給MCU2從讀寫模塊程序(MCU1)功能:通過SPI向主讀寫模塊傳送識別到的標簽信息狀態，接收主讀寫模塊下發的命令。

2.軟件流程圖

當系統初始化后，進行兩個方面的流程，一是主讀卡器把從串口接收的信息發給從讀卡器，從讀卡器接收信息并解析，主要是更改天線接收功率和更改發送模式的命令;二是從讀卡器采集電子標簽信息并上傳給主讀卡器，主讀卡器再通過串口上傳給計算機。軟件流程圖如圖2。

3.硬件與上位機協議層

MCU2負責和計算機通信，那必然要遵循一定的通訊協議，串口通信是同步通信的一種，所以發送端和接收端通信的速率要完全一樣，否則會造成數據的丟失，所以必須約定雙方的通信速率、校驗位、數據位、停止位。

圖2 軟件流程

(1)通信協議

波特率:9600

校驗位:None

數據位:8

停止位:1

設置好通信的基本參數后，就可以正常接收數據，在傳輸的數據里面需要區別功能碼和有效數據，為了數據發送準確，收發雙發需要同一數據的開始碼和停止碼，這樣讓接收的一方知道何時開始接收有效的數據，何時接收數據完畢。計算機端以0Xfb 0X100X000X00 TagID SSI MODEN ReaderID 0X01(TagID為標簽編號;SSI為標簽信號強度;MODEN為工作模式 ReaderID為讀寫器編號)命令串發送至MCU1。

(2)接收上位機發送的功能碼后，MCU2將命令發送給MCU1，MCU1接收并執行響應的動作，如果是設置信號接收的強度，就改變信號強度寄存器里面的數值大小來改變天線的發送功率。如果是需要反饋RFID信息，MCU2反饋數據的格式按照如下的數據格式上報給MCU1。

(3)讀寫器串口上報的數據幀格式如下:0Xfb 0X100X000X00 TagID MODEN ReaderID 0X02(TagID為標簽編號;MODEN為工作模式 ReaderID為讀寫器編號)命令串返回至MCU1。數據幀格式如圖3。

圖3 數據幀格式

其中，TagID為標簽編號;SSI為標簽信號強度;ReaderID為讀寫器編號。

(4)MCU2接受到MCU1上報的0Xfb 0X100X000X00 TagID MODEN ReaderID 0X02這串RFID學生信息卡，其中包括了ReaderID為讀寫器編號(學生的RFID號)這個非常重要的信息，然后通過串口發送RFID號給計算機。

(三)分機上的上位機應用層

1.分機上位機數據處理原理簡述

分機串口接收RFID終端上行的學生RFID信息。然后通過SQL服務器插入RFID信息到計算機虛擬出來的SQL服務器，所有的信息都能夠永久性保存，提供歷史查詢學生打卡信息。同時SQL服務器里面的內容通過C++調用Socket()類的方法實現數據的網絡傳輸，同時主機利用Socket()類的方法接收網絡傳來的RFID信息并保存至主機的SQL服務器，主機上位機顯示只需從自己的SQL服務器查詢RFID信息來顯示就可以。

2.串口數據接收存入SQL服務器功能的實現

(1)操作流程如圖4。

圖4 操作流程

(2)當從讀卡器采集到電子標簽信息后上傳給主讀卡器，主讀卡器再通過串口上傳給計算機分機，這個流程就是計算機分機串口接收主讀卡器信息的流程圖。具體原理為:當計算機分機串口檢測有數據上傳時，計算機就會調用C++接口語言接收數據，然后存入計算機分機的SOL數據庫中。

3.Socket()類實現數據網絡的傳輸

數據網絡傳輸操作流程如圖5。

圖5 數據網絡流程

4.分機上位機界面操作簡述

分機操作界面如圖6。

圖6 分機操作界面

此界面為1～6號分機和主機界面，主機不需要設置串口信息，只有分機才設置，因為分機的RFID終端是通過串口和計算機相連。而主機接受1～6分機網線上傳來的數據，并存入SQL服務器，供查詢。

(四)網絡數據交換層

1.網絡層拓撲結構

系統網絡拓撲圖如圖7。

圖7 網絡拓撲圖

2.網絡層原理簡述

網絡層是本系統的核心，也是該系統實現RFID信息網絡共享的重要環節，各分機的RFID數據在這一層進行匯總，通過交換機組成的局域網絡，上傳至主機實行統一管理。從拓撲結構可以看出，1～6號分機上的SQL數據庫存儲的學生RFID信息通過VC++的ADO對象來連接服務器，調用SQL服務器查詢語言讀取分機上的數據信息，然后通過網絡數據交換機連接主機IP地址，并將數據上傳至主機，主機接受到RFID數據信息后，再次通過VC++的ADO對象來連接服務器，并調用SQL服務器插入語言來寫入數據到主機上的SQL服務器。這樣，所有的RFID信息在分機和主機上都是存儲在SQL服務器中，方便上位機查詢。

五、研究工作總結

1.系統功能的說明和局限

本系統設計了一套新型的考勤方式，能夠實現自動考勤、存儲、顯示、打印等功能，可以取代人工考勤。通過局域網絡進行數據的傳輸，實現局域網絡信息的共享，但是本系統還存在著很多不足以及未涉及的問題。

2.系統功能的引用

該方案是“十二五”規劃設計的“物聯網”的一個典型的實例應用，該系統可以延深到其他學校如小學、初中、高中等學校進行考勤。如果加上煙霧傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器使之功能更加強大，還可以延伸到更深更廣的領域如物流、農業、銀行、施工現場等各行各業，應該說潛在的經濟效益巨大。

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