基于物聯網技術的學生智能考勤系統設計與實現

徐魯寧，郭曉功

（九江職業技術學院，江西九江 332007）

0 引言

隨著高校規模的壯大，對學生參與教學活動的考勤管理，成為了學生工作中極其重要的部分［1］?，F階段對學生的考勤管理，使用的仍然是由教師主導或監督的點名考勤方式，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，尤其是在一些合班大課上，人數眾多；其次是考勤數據的統計困難，如果想要匯總全校學生的考勤數據將會耗費大量的人力和時間，并且其中包含請假等特殊的情況，所以準確性難以保證；再次是信息反饋困難，存在管理人員和學生很難及時、準確的了解考勤情況。

近幾年，使用物聯網技術進行考勤系統設計的研究成為熱點，這些研究方案在理論和實踐上都作出了有意義的探索［2］，但是應用實施卻面臨諸多問題難以實現。例如，使用普通RFID卡片的身份識別考勤系統，它存在幾個問題。首先，要求被考勤人員予以主動配合，如果用于對學生的上課考勤，這種方式可能使得被考勤人員一天內要實現多次識別，增加負擔實際中難以實現；其次，如果大量人員在同一時段需要進行識別記錄，顯然系統難以滿足；第三，容易實施代替考勤，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網技術，利用RFID技術與SIM卡結合的智能考勤管理系統的設計方案。

1 設計思想

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

2 系統硬件組成及工作原理

學生智能考勤系統的硬件主要由主控模塊、電子標簽、讀卡器、無線數據傳輸模塊等構成。

2.1 主控模塊

主控模塊使用微型計算機，運行智能考勤管理系統、數據庫，作為整個系統的控制中心、服務器端，通過無線通信模塊進行考勤信息的采集，系統對數據進行匯總分析，各相關設備可以通過USB、RJ45、COM等端口與主控模塊相互連接通信。系統的框架結構如圖1所示。

圖1 系統的框架結構圖

2.2 電子標簽

系統中射頻識別采用的電子標簽是RF－SIM卡，是將現有成熟RFID技術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500CM，在保留普通SIM卡的基本通訊功能的同時，可以實施中近距離的無線數據通信，例如移動小額付費和身份識別認證，符合ISO7816傳輸協議的規定。具有功耗低、安全性高、遠距離識別、雙向雙工、數據傳輸帶寬較大等特點，且在一定發射功率上工作無需無線電使用許可，最大優點是用戶原有的電話號碼和手機都不需要更換，只需要更換一張RF－SIM卡，符合用戶的使用習慣。

RF－SIM卡內含有一個微處理器，本質上屬于智能卡（CPU卡），并集成了芯片操作系統 （COS），相當于一臺微型計算機。RF－SIM卡原理結構如圖2所示，其中SIM模塊部分實現移動通信的功能，RFID模塊部分實現無線射頻識別中的電子標簽功能，微處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM、用戶數據存儲器EEPR使得RF－SIM卡不僅具有數據存儲功能，同時具有命令處理和數據安全保護等功能。

圖2 RF－SIM卡原理結構示意圖

2.3 讀卡器模塊

根據系統的設計要求，需要對遠距離 （500CM）的電子標簽進行識別記錄，本系統中選用直通電訊的中遠距離的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傳輸協議的規定，能夠對符合協議規范的RFID電子標簽進行讀寫操作。主要應用于無需距離控制的應用場景?？梢詫崿F對RF－SIM卡的卡號的讀操作，該模塊提供標準異步串行通訊（UART）或韋根 （Wiegand）協議輸出，適用于各類門禁器、身份識別等。

RF－SIM卡號，為16位16進制數，每位號碼按4Bit16進制數編碼。為了保證卡號的唯一性可以采用UART和Wiegand66協議輸出，本系統采用UART輸出，數據通信格式如表1所示：

表1 SHRM203讀卡模塊數據通信格式說明

圖3 考勤管理系統用戶界面

2.4 無線數據傳輸模塊

無線數據傳輸模塊實現把讀卡器模塊獲取的數據發送給計算機。本系統選用的是無線龍紫蜂 （ZigBee）無線網絡專業開發系統C51RF－CC2530－PK，是基于CC2530／CC2531的專業開發系統，完全滿足IEEE802.15.4標準和紫蜂（ZigBee）2007／PRO技術標準的無線網絡技術設計開發［3］。

3 系統軟件設計

3.1 主控模塊的軟件設計

主控模塊是本系統中負責主要管理控制，具有用戶權限管理、學生信息管理，對射頻識別設備提供的數據進行處理分析，并對比數據庫中數據，得出考勤情況等功能，在整個系統中擔負重要的責任。本系統中使用 Microsoft Visual C＋＋設計用戶界面，使用Microsoft Access建立數據庫，數據庫中主要包括學生課程安排表、學生基本信息表、考勤情況表等。系統應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據傳遞

安裝在教學樓門廳的讀卡器模塊在有效范圍內發射無線射頻信號，進入識別范圍的電子標簽 （RF－SIM卡）獲得感應電流，激活電子標簽中RFID模塊，并通過射頻信號發送數據，讀卡器模塊接收數據后通過UART傳遞給無線通信模塊。

通 過 函 數 HANDLE OpenComm （int portNo）、void CloseComm （HANDLE hCom）實現對串口的打開關閉操作，無線通信模塊分別使用函數RecvUartData（）、halUartWrite（）進行數據的接收和發送，部分主要代碼如下：

3.3 無線通信模塊組網

在無線通信模塊中，ZigBee協調器負責網絡的搭建，是整個網絡的核心，它的作用是啟動網絡，其方法是選擇一個相對空閑的信道，形成一個PANID（網絡編號），它也會協助網絡中安全層及處理應用層的綁定，連接ZigBee設備的終端進行組網，當整個網絡配置啟動完畢后，協調器退化為普通路由器，提供接力作用且能擴展信號的傳輸范圍，保障ZigBee終端節點設備的組網。協調器通過COM端口與主機連接。

這是因為在Zigbee協議中，數據包可以單點傳送 （unicast），多點傳送 （multicast）或者廣播傳送，所以必須有地址模式參數。一個單點傳送數據包只發送給一個設備，多點傳送數據包則要傳送給一組設備，而廣播數據包則要發送給整個網絡的所有節點。

4 結束語

基于物聯網技術的學生智能考勤系統，采用了無線射頻識別、嵌入式開發、Zigbee等物聯網核心關鍵技術，有效減輕了考勤工作對于教師和學生的負擔，提高了學生管理的效率，解決了高校規模壯大后，對學生考勤管理的難題，提高了學校智能化管理水平，對于智慧校園的建設有著重要的現實意義。

在此，除了網絡地址和端點外，還要指定地址模式參數。地址模式得值設置如下：

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

〔2〕于晶晶.基于RFID技術的學生考勤管理系統的研制［D］.蘇州大學，2011：6－9.

〔3〕無線龍.ZigBee無線網絡原理 ［M］.冶金工業出版社，2011：5－7.