基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的學(xué)生智能考勤系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

徐魯寧，郭曉功

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007）

0 引言

隨著高校規(guī)模的壯大，對學(xué)生參與教學(xué)活動的考勤管理，成為了學(xué)生工作中極其重要的部分［1］。現(xiàn)階段對學(xué)生的考勤管理，使用的仍然是由教師主導(dǎo)或監(jiān)督的點(diǎn)名考勤方式，這種方式簡單易行，但是存在很多問題：首先是時間上的浪費(fèi)，尤其是在一些合班大課上，人數(shù)眾多；其次是考勤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計困難，如果想要匯總?cè)W(xué)生的考勤數(shù)據(jù)將會耗費(fèi)大量的人力和時間，并且其中包含請假等特殊的情況，所以準(zhǔn)確性難以保證；再次是信息反饋困難，存在管理人員和學(xué)生很難及時、準(zhǔn)確的了解考勤情況。

近幾年，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行考勤系統(tǒng)設(shè)計的研究成為熱點(diǎn)，這些研究方案在理論和實(shí)踐上都作出了有意義的探索［2］，但是應(yīng)用實(shí)施卻面臨諸多問題難以實(shí)現(xiàn)。例如，使用普通RFID卡片的身份識別考勤系統(tǒng)，它存在幾個問題。首先，要求被考勤人員予以主動配合，如果用于對學(xué)生的上課考勤，這種方式可能使得被考勤人員一天內(nèi)要實(shí)現(xiàn)多次識別，增加負(fù)擔(dān)實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)；其次，如果大量人員在同一時段需要進(jìn)行識別記錄，顯然系統(tǒng)難以滿足；第三，容易實(shí)施代替考勤，考勤效果難以令人滿意。

由于以上方式存在諸多問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID技術(shù)與SIM卡結(jié)合的智能考勤管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 設(shè)計思想

本系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽 （RF－SIM卡）、讀寫器、無線傳輸模塊、服務(wù)器和管理系統(tǒng)組成。設(shè)計思想是，在各教學(xué)樓的門廳設(shè)置遠(yuǎn)距離 （1CM－500CM）射頻識別讀寫器，學(xué)生攜帶裝有電子標(biāo)簽 （RF－SIM卡）的手機(jī)通過教學(xué)樓門廳，讀寫器大量快速識別通過門廳的學(xué)生身份，通過無線傳輸模塊存儲到遠(yuǎn)端服務(wù)器，記錄下學(xué)生進(jìn)入和離開教學(xué)樓的考勤時間；每天考勤管理系統(tǒng)通過比對服務(wù)器中學(xué)生考勤時間和課程安排表，得出學(xué)生的考勤的狀態(tài)，篩選或標(biāo)記出考勤異常狀態(tài)的學(xué)生記錄，生成考勤情況表。

2 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

學(xué)生智能考勤系統(tǒng)的硬件主要由主控模塊、電子標(biāo)簽、讀卡器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等構(gòu)成。

2.1 主控模塊

主控模塊使用微型計算機(jī)，運(yùn)行智能考勤管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫，作為整個系統(tǒng)的控制中心、服務(wù)器端，通過無線通信模塊進(jìn)行考勤信息的采集，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，各相關(guān)設(shè)備可以通過USB、RJ45、COM等端口與主控模塊相互連接通信。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖

2.2 電子標(biāo)簽

系統(tǒng)中射頻識別采用的電子標(biāo)簽是RF－SIM卡，是將現(xiàn)有成熟RFID技術(shù)和射頻識別通信芯片集成到SIM卡中，外型尺寸和普通的SIM卡的規(guī)格完全相同。射頻識別有多個頻段，分別是低頻、高頻、超高頻和微波頻段。RF－SIM卡采用的是微波2.4G頻段，有效雙向通信距離可達(dá)500CM，在保留普通SIM卡的基本通訊功能的同時，可以實(shí)施中近距離的無線數(shù)據(jù)通信，例如移動小額付費(fèi)和身份識別認(rèn)證，符合ISO7816傳輸協(xié)議的規(guī)定。具有功耗低、安全性高、遠(yuǎn)距離識別、雙向雙工、數(shù)據(jù)傳輸帶寬較大等特點(diǎn)，且在一定發(fā)射功率上工作無需無線電使用許可，最大優(yōu)點(diǎn)是用戶原有的電話號碼和手機(jī)都不需要更換，只需要更換一張RF－SIM卡，符合用戶的使用習(xí)慣。

RF－SIM卡內(nèi)含有一個微處理器，本質(zhì)上屬于智能卡（CPU卡），并集成了芯片操作系統(tǒng) （COS），相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)。RF－SIM卡原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中SIM模塊部分實(shí)現(xiàn)移動通信的功能，RFID模塊部分實(shí)現(xiàn)無線射頻識別中的電子標(biāo)簽功能，微處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPR使得RF－SIM卡不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。

圖2 RF－SIM卡原理結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 讀卡器模塊

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要對遠(yuǎn)距離 （500CM）的電子標(biāo)簽進(jìn)行識別記錄，本系統(tǒng)中選用直通電訊的中遠(yuǎn)距離的SHRM203型讀寫模塊。SHRM203是一款低功耗、體積小的微波2.4G頻段RFID讀寫模塊，支持ISO7816傳輸協(xié)議的規(guī)定，能夠?qū)Ψ蠀f(xié)議規(guī)范的RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。主要應(yīng)用于無需距離控制的應(yīng)用場景。可以實(shí)現(xiàn)對RF－SIM卡的卡號的讀操作，該模塊提供標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊（UART）或韋根 （Wiegand）協(xié)議輸出，適用于各類門禁器、身份識別等。

RF－SIM卡號，為16位16進(jìn)制數(shù)，每位號碼按4Bit16進(jìn)制數(shù)編碼。為了保證卡號的唯一性可以采用UART和Wiegand66協(xié)議輸出，本系統(tǒng)采用UART輸出，數(shù)據(jù)通信格式如表1所示：

表1 SHRM203讀卡模塊數(shù)據(jù)通信格式說明

圖3 考勤管理系統(tǒng)用戶界面

2.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)把讀卡器模塊獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)。本系統(tǒng)選用的是無線龍紫蜂 （ZigBee）無線網(wǎng)絡(luò)專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)C51RF－CC2530－PK，是基于CC2530／CC2531的專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)，完全滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和紫蜂（ZigBee）2007／PRO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計開發(fā)［3］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控模塊的軟件設(shè)計

主控模塊是本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)主要管理控制，具有用戶權(quán)限管理、學(xué)生信息管理，對射頻識別設(shè)備提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對比數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，得出考勤情況等功能，在整個系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)重要的責(zé)任。本系統(tǒng)中使用 Microsoft Visual C＋＋設(shè)計用戶界面，使用Microsoft Access建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中主要包括學(xué)生課程安排表、學(xué)生基本信息表、考勤情況表等。系統(tǒng)應(yīng)用程序的用戶界面如圖3所示。

3.2 讀卡器與無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳遞

安裝在教學(xué)樓門廳的讀卡器模塊在有效范圍內(nèi)發(fā)射無線射頻信號，進(jìn)入識別范圍的電子標(biāo)簽 （RF－SIM卡）獲得感應(yīng)電流，激活電子標(biāo)簽中RFID模塊，并通過射頻信號發(fā)送數(shù)據(jù)，讀卡器模塊接收數(shù)據(jù)后通過UART傳遞給無線通信模塊。

通 過 函 數(shù) HANDLE OpenComm （int portNo）、void CloseComm （HANDLE hCom）實(shí)現(xiàn)對串口的打開關(guān)閉操作，無線通信模塊分別使用函數(shù)RecvUartData（）、halUartWrite（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，部分主要代碼如下：

3.3 無線通信模塊組網(wǎng)

在無線通信模塊中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的搭建，是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，它的作用是啟動網(wǎng)絡(luò)，其方法是選擇一個相對空閑的信道，形成一個PANID（網(wǎng)絡(luò)編號），它也會協(xié)助網(wǎng)絡(luò)中安全層及處理應(yīng)用層的綁定，連接ZigBee設(shè)備的終端進(jìn)行組網(wǎng)，當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)配置啟動完畢后，協(xié)調(diào)器退化為普通路由器，提供接力作用且能擴(kuò)展信號的傳輸范圍，保障ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器通過COM端口與主機(jī)連接。

這是因?yàn)樵赯igbee協(xié)議中，數(shù)據(jù)包可以單點(diǎn)傳送 （unicast），多點(diǎn)傳送 （multicast）或者廣播傳送，所以必須有地址模式參數(shù)。一個單點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包只發(fā)送給一個設(shè)備，多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包則要傳送給一組設(shè)備，而廣播數(shù)據(jù)包則要發(fā)送給整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的學(xué)生智能考勤系統(tǒng)，采用了無線射頻識別、嵌入式開發(fā)、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)核心關(guān)鍵技術(shù)，有效減輕了考勤工作對于教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)生管理的效率，解決了高校規(guī)模壯大后，對學(xué)生考勤管理的難題，提高了學(xué)校智能化管理水平，對于智慧校園的建設(shè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在此，除了網(wǎng)絡(luò)地址和端點(diǎn)外，還要指定地址模式參數(shù)。地址模式得值設(shè)置如下：

〔1〕張冠鵬 .高校學(xué)生管理制度研究 ［D］.東北師范大學(xué)，2013：17－19.

〔2〕于晶晶.基于RFID技術(shù)的學(xué)生考勤管理系統(tǒng)的研制［D］.蘇州大學(xué)，2011：6－9.

〔3〕無線龍.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)原理 ［M］.冶金工業(yè)出版社，2011：5－7.