基于RFID和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的考勤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉紅日 王敏 盧成亞 孫公亮 趙興壯

【摘要】 考勤系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)從考勤終端以及服務(wù)器應(yīng)用程序兩個方面進行開發(fā)。考勤終端以STC90C58AD單片機為控制核心，利用DRF1605H無線收發(fā)模塊以及MFRC522讀卡模塊，實現(xiàn)了考勤信息的采集收發(fā)等功能；服務(wù)器程序使用QT應(yīng)用程序開發(fā)框架以及在ThinkPHP框架編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收以及分類處理功能。實現(xiàn)了校園分布式環(huán)境下的考勤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。也可以將本系統(tǒng)進行定制安裝，運用在企業(yè)的考勤系統(tǒng)中。

【關(guān)鍵詞】 考勤系統(tǒng) 考勤終端 服務(wù)器

一、引言

在高校普遍推行學(xué)分制的條件下，學(xué)生上課較分散，班主任、輔導(dǎo)員對學(xué)生的上課情況的了解與非學(xué)分制條件下相比有所削弱，同時部分教師淡化課堂考勤，導(dǎo)致一些學(xué)生因?qū)W分制課堂考勤監(jiān)控不嚴(yán)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(shè)計也沒有考慮到系統(tǒng)的時間同步問題。本系統(tǒng)將Zigbee和RFID技術(shù)相結(jié)合，將考勤信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)收集，發(fā)送到服務(wù)器。

二、總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)從功能上可以分成兩部分。一部分是考勤終端，負責(zé)考勤信息的采集處理、發(fā)送等過程以及負責(zé)接收服務(wù)器發(fā)來的指令，對終端考勤機進行相關(guān)的設(shè)定。另一部分是服務(wù)器，服務(wù)器上的功能由兩部分組成，一部分通過Zigbee網(wǎng)關(guān)來接受相關(guān)的考勤信息，并處理后插入到MySQL數(shù)據(jù)庫，這部分功能軟件是隨著服務(wù)器啟動而自啟動的，并且常駐內(nèi)存的，提供了對考勤終端的數(shù)據(jù)進行處理、通訊設(shè)置、終端機的設(shè)置等；另一部分是基于B/S模式的WEB應(yīng)用服務(wù)程序，用戶可以通過瀏覽器登陸，根據(jù)授權(quán)查看考勤信息、修改考勤信息以及導(dǎo)出考勤信息等功能，如圖1所示。

三、考勤終端設(shè)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(gòu)成的硬件系統(tǒng)。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(fā)模塊。其中時鐘系統(tǒng)是本系統(tǒng)的重要部分，關(guān)系到學(xué)生考勤時間的準(zhǔn)確性。考勤終端的時間可以和服務(wù)器時間比較，進行修正，作為學(xué)生考勤發(fā)生的真正時間。SD卡用來保存學(xué)生的考勤信息，考慮到數(shù)據(jù)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(nèi)實現(xiàn)了FAT16文件系統(tǒng)。即使無線網(wǎng)絡(luò)失敗，考勤數(shù)據(jù)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(nèi)存儲了本機的一些基本信息，例如考勤發(fā)生的地點，以方便維護。RFID讀卡器讀取考勤學(xué)生的學(xué)號，結(jié)合當(dāng)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?shù)骄W(wǎng)關(guān)。根據(jù)Zigbee節(jié)點的性質(zhì)，本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)使用的是Zigbee協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)的收發(fā)。這樣的Zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個mesh網(wǎng)絡(luò)，增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用C語言編程實現(xiàn)。硬件平臺設(shè)計如圖2所示：

程序設(shè)計流程圖如圖3所示：

四、服務(wù)器端設(shè)計方案

4.1 服務(wù)器端軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

服務(wù)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(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，并對其進行簡單處理以后插入到數(shù)據(jù)庫以及通過串口向Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出用于控制終端節(jié)點，此軟件自啟動且常駐系統(tǒng)內(nèi)存。實現(xiàn)的功能有：

（1）與Zigbee網(wǎng)關(guān)進行通訊的相關(guān)設(shè)置，網(wǎng)關(guān)采用串口與服務(wù)器進行連接，所以串口通訊的常用設(shè)置，例如波特率，數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等。（2）系統(tǒng)設(shè)置。例如對整個無線網(wǎng)絡(luò)的時間的統(tǒng)一，當(dāng)前節(jié)點的狀態(tài)報告、考勤終端的SD卡數(shù)據(jù)的處理等等。（3）對某一個考勤終端的管理功能。實現(xiàn)的主要功包括課程管理、考勤記錄管理、學(xué)期管理以及導(dǎo)出考勤結(jié)果等功能。考慮到有請病假的情況出現(xiàn)，允許任課教師對學(xué)生的某一時段的考勤記錄進行修改。考勤終端節(jié)點與服務(wù)器傳輸考勤信息過程流圖如圖4所示：

本系統(tǒng)主要針對規(guī)模比較大的考勤場景下開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)，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(tǒng)存放在SD卡中，在設(shè)定的時間里，服務(wù)器在不同的時間點向考勤終端節(jié)點發(fā)送命令，要求發(fā)送考勤信息。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，將SD卡中的數(shù)據(jù)刪除。同時通過后臺數(shù)據(jù)處理，生成學(xué)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(tǒng)的關(guān)鍵。由于本系統(tǒng)對時間的要求不是很高（小于1s），并且整個無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸是分時的，采用了DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 算法[4]。在終端節(jié)點接收到發(fā)送考勤信息的命令后，向服務(wù)器發(fā)送一條帶有考勤終端的時間戳的數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到此數(shù)據(jù)后與服務(wù)器時間進行比較，對差值超過閾值的終端節(jié)點，要對考勤信息中的考勤發(fā)生時間進行處理，還要進行時間同步。在真實的環(huán)境中測試，誤差不超過50μs。

4.3 通信協(xié)議的設(shè)計

考慮到本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及命令，所設(shè)計的協(xié)議如下所示：

（1）發(fā)送考勤信息命令

由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用分時的方法實現(xiàn)，所以對對各個考勤終端的考勤內(nèi)容的發(fā)送以輪詢的方式進行。即服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)向各個考勤終端發(fā)送命令，各個考勤終端來根據(jù)命令來做相應(yīng)的處理。

（2）考勤數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：

該協(xié)議是終端節(jié)點向服務(wù)器傳輸學(xué)生考勤信息的內(nèi)容。設(shè)備號用來表示當(dāng)前考勤發(fā)生的地點，當(dāng)一個新的終端節(jié)點投入使用之前，將設(shè)備號寫在SD卡中。卡號是RFID的卡號，卡號與學(xué)生姓名的對應(yīng)關(guān)系存放在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。考勤時間記錄學(xué)生刷卡的時間，精確到秒。為了減輕微處理器的負擔(dān)，采用簡單的奇偶校驗算法。

（3）考勤數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束協(xié)議：

發(fā)送完最后一條考勤記錄以后，考勤終端向服務(wù)器報告所有的考勤數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完。服務(wù)器解析完這條信息以后，轉(zhuǎn)入對下一個考勤終端的考勤信息的輪詢。

（4）時間同步協(xié)議：

當(dāng)服務(wù)器與考勤終端的時間差超過一個設(shè)定的閾值時，服務(wù)器向該考勤終端發(fā)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(xié)議由于篇幅關(guān)系，不再一一列舉說明。

五、實現(xiàn)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(jié)語

本考勤系統(tǒng)利用無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可以省去目前考勤系統(tǒng)中布線的煩瑣，并支持?jǐn)?shù)量龐大的讀卡設(shè)備。通過設(shè)置考勤終端的SD卡內(nèi)容，可以根據(jù)實際情況臨時設(shè)置考勤地點。在讀卡設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)時，不需要人工操作，均由Zigbee網(wǎng)絡(luò)自動實現(xiàn)，部分實現(xiàn)了錯誤故障的自我診斷，易于維護，降低了維護成本。