基于ZigBee技術的智能教室考勤系統設計

李新龍+周振濤+周婷婷

摘 要

現階段高校學生的課堂考勤工作是高校教學管理工作的一項非常重要的內容，本文針對高校課堂考勤工作設計一個智能教室考勤系統，該系統結合遠距離射頻識別技術（RFID）、ZigBee組網技術與計算機軟硬件技術，通過非接觸式刷卡技術，多系統聯動實現對人員出入進行考勤，從而為高校課堂考勤管理實現完全自動化。

【關鍵詞】物聯網 智能教室 考勤

1 引言

目前，高校對學生課堂的考勤管理主要是由課堂教師或者代理學生通過點名答到或者簽名的方式進行考勤，這種方式存在代替別人答到、考勤效率低等問題。部分單位的考勤方式采用指紋考勤系統或者IC卡考勤系統等計算機考勤系統，這類計算機考勤系統的一般考勤流程是被考勤者使用帶有自己身份信息的IC卡刷卡或者進行指紋掃描，并且在進入與出去的時候都進行刷卡或者掃描指紋，系統識別被考勤者的具體身份之后并記錄下時間，將考勤信息傳輸到服務器并保存在數據庫進行考勤管理，這類計算機考勤系統相比較于傳統點名答到或者簽名考勤的傳統方式具有考勤效率高的優勢，但缺點是存在代刷卡、人員多的時候速度慢等問題，比如有很多人員需要進行掃描指紋就會排隊等候。基于ZigBee的智能教室考勤管理系統相比其它的考勤系統，具有方便快捷、管理高效，實現簡單，費用廉價等優點。此外，物聯網是繼互聯網/因特網與計算機技術之后信息產業領域興起的第三次技術與產業浪潮，為智慧校園提供了一種新的革命性的信息技術和智能技術，具有廣泛的應用需求和巨大產業發展的空間。

2 需求分析

本文提出一種基于ZigBee的智能教室考勤系統，在規定時間段內上電系統開始工作，通過紅外對射管判斷學生是進入教室還是離開教室，隨后判斷是否刷卡，如果沒有刷卡則會報警出錯，同時清空本次簽到的信息，若按照流程刷卡進入則該學生正常簽到或者離開教室。可以有效防止學生考勤作弊現象的發生，同時具有快速識別無需過多等待等多個優勢。本系統結合遠距離射頻識別技術（RFID）、ZigBee組網和計算機技術，集自動化控制、通道安全管理、人員通行記錄、警報處理、多系統聯動為一體，通過非接觸式刷卡的方式，實現了對人員的放行、拒絕、記錄等操作，有效控制人員出入，實現對出入口的安全管理，從而為學校考勤與安全防范管理提供了有效的解決方案，具有推廣應用的實用價值。

3 設計與實現

智能教室考勤系統如圖1所示，主要由數據采集及處理模塊，ZigBee無線傳輸模塊和上位機顯示模塊組成。

數據采集以及處理模塊由兩組紅外對射管AA和BB以及RFID身份識別模塊組成。兩個部分同時工作，紅外光電傳感器一前一后放置在門的內外兩側，RFID身份識別模塊放在紅外光電傳感器的中間，當紅外發射管和接收管沒有物體遮擋時輸出為穩定低電平，當人進入時發射管和接收管被遮擋，這時會產生一個上升沿，可以判斷有人經過。當學生進入教室的時候門口的AA率先被遮擋而觸發了一個上升沿，隨后等待RIFD的刷卡信息，而RFID身份識別的模塊在刷卡以后可以得到學生的個人信息同時在液晶上顯示學生姓名和學號等等。

當學生進入教室時首先AA紅外對射管被遮擋由低電平產生了一個上升沿，隨后學生進入不再遮擋AA電平恢復平穩，然后學生刷卡RFID讀取學生信息后學生進入，然后觸發BB紅外管產生上升沿，計數加1，同時錄入學生信息，若中間過程出錯，上位機則會報錯致使蜂鳴器響并且清除刷卡信息，這樣可以有效防止學生持多卡代簽，以及多人持一卡簽到等考勤作弊現象的發生。

ZigBee無線傳輸模塊：利用ZigBee無線組網方式將紅外對射管和RFID身份識別模塊采集的信息發送給LM3S9B96主協調器進行數據處理，處理完之后將產生的數據傳輸到上位機軟件并且顯示。上位機顯示模塊通過RS-232接口接收監控節點發送過來的數據，做進一步處理和顯示。總體流程如圖2所示。

3.1 ZigBee無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊主要是基于ZigBee的無線組網，ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗低成本的雙向無線通信技術，完全符合本次設計的無線數據傳輸的要求，對于無線組網我們采取了星型組網來實現短距離的無線傳輸數據。本設計使用的是CC2420的射頻收發器，CC2420的主要參數：

（1）工作頻帶范圍：2.4～2.4835GHz；

（2）采用IEEE 802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；

（3）數據速率達250kbps，碼片速率達2MChip/s；

（4）采用Q-QPSK調制方式；

（5）超低電流消耗（RX：18.18mA、TX： 17.4mA）高接收靈敏度（-95dBm）；

（6）抗鄰頻道干擾能力強（39dB）；

（7）內部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電（2.1V～3.6V）；

（8）輸出功率編程可控；

（9）IEEE 802.15.4的MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16位CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護（CTR，CBC——MAC，CCM）；

（10）與控制微處理器的接口配置容易（4總線SPI接口）。

采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7*7mm，系統預設了CC2420無線模塊與RDID模塊接口。

3.2 監控節點芯片LM3S811

LM3S811支持最大主頻為80MHz的ARM Cortex-M3內核，256KByte FLASH，96KByte SRAM，LQFP-100封裝。集成10/100MHz以太網、2路CAN控制器、USB OTG、外部總線EPI、ROM片上StellarisWare軟件、睡眠模塊、正交編碼器、16路ADC、帶死區PWM、模擬比較UART、SSI、通用定時器、I2S、CCP、高精度震蕩器、DMA等外設。

3.3 主協調器模塊

LM3S9B96是TI 公司的基于ARM Cortex-M3 的32位MCU，具有先前8位和16位MCU的價格成本，CPU工作頻率80MHz，100DMIPS性能，集成了10/100MHz以太網模塊，并可以方便的高質量、快速度的完成我們需要的數據采集與處理的任務。

3.4 RS-232電平轉換電路

該部分主要完成LM3S9B96與PC通信或者控制實驗箱上的外擴Wi-Fi模塊（所用芯片為MAX3232）。如圖3所示。

4 總結

本文提出了一個新的智能教室考勤系統。此智能教室考勤系統的創新之處在于：相比其它的考勤系統，具有方便快捷、管理高效，實現簡單，費用廉價等優點，具有較強的實用性和開發價值。

參考文獻

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