基于RFID和Zigbee網絡的考勤系統的設計與實現

劉紅日 王敏 盧成亞 孫公亮 趙興壯

【摘要】 考勤系統的設計開發從考勤終端以及服務器應用程序兩個方面進行開發。考勤終端以STC90C58AD單片機為控制核心，利用DRF1605H無線收發模塊以及MFRC522讀卡模塊，實現了考勤信息的采集收發等功能；服務器程序使用QT應用程序開發框架以及在ThinkPHP框架編程實現了數據的接收以及分類處理功能。實現了校園分布式環境下的考勤系統的設計與實現。也可以將本系統進行定制安裝，運用在企業的考勤系統中。

【關鍵詞】 考勤系統 考勤終端 服務器

一、引言

在高校普遍推行學分制的條件下，學生上課較分散，班主任、輔導員對學生的上課情況的了解與非學分制條件下相比有所削弱，同時部分教師淡化課堂考勤，導致一些學生因學分制課堂考勤監控不嚴而長期曠課[1]。目前在高校里，上課地點分散，主要的考勤方式還是教師人工點名的方式，或者是用RFID，在各個教室單獨考勤，考完以后不能夠及時處理考勤信息。[2]，[3]等的設計也沒有考慮到系統的時間同步問題。本系統將Zigbee和RFID技術相結合，將考勤信息通過Zigbee網絡經過網關收集，發送到服務器。

二、總體設計方案

本系統從功能上可以分成兩部分。一部分是考勤終端，負責考勤信息的采集處理、發送等過程以及負責接收服務器發來的指令，對終端考勤機進行相關的設定。另一部分是服務器，服務器上的功能由兩部分組成，一部分通過Zigbee網關來接受相關的考勤信息，并處理后插入到MySQL數據庫，這部分功能軟件是隨著服務器啟動而自啟動的，并且常駐內存的，提供了對考勤終端的數據進行處理、通訊設置、終端機的設置等；另一部分是基于B/S模式的WEB應用服務程序，用戶可以通過瀏覽器登陸，根據授權查看考勤信息、修改考勤信息以及導出考勤信息等功能，如圖1所示。

三、考勤終端設計方案

考勤終端硬件是以STC90C58AD為核心，包括時鐘，SD卡，RFID讀卡器和Zigbee等模塊構成的硬件系統。RFID讀卡器使用的MFRC522讀卡模塊；Zigbee模塊采用的是使用CC2530為核心的DRF1605H無線收發模塊。其中時鐘系統是本系統的重要部分，關系到學生考勤時間的準確性。考勤終端的時間可以和服務器時間比較，進行修正，作為學生考勤發生的真正時間。SD卡用來保存學生的考勤信息，考慮到數據安全的因素，采取將一次課的考勤信息保存在SD卡中，在單片機內實現了FAT16文件系統。即使無線網絡失敗，考勤數據還可以通過PC機來讀取考勤終端的SD卡里的考勤信息。同時SD卡內存儲了本機的一些基本信息，例如考勤發生的地點，以方便維護。RFID讀卡器讀取考勤學生的學號，結合當前的時鐘，作為一條信息記錄在SD卡中。考勤信息通過Zigbee模塊傳輸到網關。根據Zigbee節點的性質，本系統的網關使用的是Zigbee協調器，考勤終端使用的是Zigbee路由器，通過串口與終端連接，進行數據的收發。這樣的Zigbee網絡構成了一個mesh網絡，增強了網絡的穩定性。系統采用C語言編程實現。硬件平臺設計如圖2所示：

程序設計流程圖如圖3所示：

四、服務器端設計方案

4.1 服務器端軟件的設計與實現

服務器軟件主要有獨立的兩個軟件組成，第一個軟件是通過串口接收來自Zigbee網關的數據，并對其進行簡單處理以后插入到數據庫以及通過串口向Zigbee 協調器節點發出用于控制終端節點，此軟件自啟動且常駐系統內存。實現的功能有：

（1）與Zigbee網關進行通訊的相關設置，網關采用串口與服務器進行連接，所以串口通訊的常用設置，例如波特率，數據位、校驗位、停止位等。（2）系統設置。例如對整個無線網絡的時間的統一，當前節點的狀態報告、考勤終端的SD卡數據的處理等等。（3）對某一個考勤終端的管理功能。實現的主要功包括課程管理、考勤記錄管理、學期管理以及導出考勤結果等功能。考慮到有請病假的情況出現，允許任課教師對學生的某一時段的考勤記錄進行修改。考勤終端節點與服務器傳輸考勤信息過程流圖如圖4所示：

本系統主要針對規模比較大的考勤場景下開發設計的系統，考勤信息的傳輸方式采用的分時輪詢的方式。各個終端的考勤信息使用FAT16文件系統存放在SD卡中，在設定的時間里，服務器在不同的時間點向考勤終端節點發送命令，要求發送考勤信息。當數據傳輸完成后，將SD卡中的數據刪除。同時通過后臺數據處理，生成學生的考勤信息。

4.2 時間同步

因為考勤信息對時間比較敏感，所以時間同步是本系統的關鍵。由于本系統對時間的要求不是很高（小于1s），并且整個無線網絡的數據傳輸是分時的，采用了DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 算法[4]。在終端節點接收到發送考勤信息的命令后，向服務器發送一條帶有考勤終端的時間戳的數據，服務器接收到此數據后與服務器時間進行比較，對差值超過閾值的終端節點，要對考勤信息中的考勤發生時間進行處理，還要進行時間同步。在真實的環境中測試，誤差不超過50μs。

4.3 通信協議的設計

考慮到本系統傳輸的數據及命令，所設計的協議如下所示：

（1）發送考勤信息命令

由于本系統的數據傳輸采用分時的方法實現，所以對對各個考勤終端的考勤內容的發送以輪詢的方式進行。即服務器通過網關向各個考勤終端發送命令，各個考勤終端來根據命令來做相應的處理。

（2）考勤數據傳輸協議：

該協議是終端節點向服務器傳輸學生考勤信息的內容。設備號用來表示當前考勤發生的地點，當一個新的終端節點投入使用之前，將設備號寫在SD卡中。卡號是RFID的卡號，卡號與學生姓名的對應關系存放在服務器的數據庫中。考勤時間記錄學生刷卡的時間，精確到秒。為了減輕微處理器的負擔，采用簡單的奇偶校驗算法。

（3）考勤數據傳輸結束協議：

發送完最后一條考勤記錄以后，考勤終端向服務器報告所有的考勤數據已經發送完。服務器解析完這條信息以后，轉入對下一個考勤終端的考勤信息的輪詢。

（4）時間同步協議：

當服務器與考勤終端的時間差超過一個設定的閾值時，服務器向該考勤終端發送一條時間同步要求，考勤終端的時間將在下一次考勤之前被修改。其他的傳輸協議由于篇幅關系，不再一一列舉說明。

五、實現與測試

在三臺考勤終端情況下的測試，測試效果如圖5，圖6所示。

六、結語

本考勤系統利用無線數據傳輸網絡可以省去目前考勤系統中布線的煩瑣，并支持數量龐大的讀卡設備。通過設置考勤終端的SD卡內容，可以根據實際情況臨時設置考勤地點。在讀卡設備加入網絡和離開網絡時，不需要人工操作，均由Zigbee網絡自動實現，部分實現了錯誤故障的自我診斷，易于維護，降低了維護成本。