基于物联网技术的学生智能考勤系统设计与实现

2014-10-15徐鲁宁郭晓功

九江职业技术学院学报 2014年3期

徐鲁宁，郭晓功

（九江职业技术学院，江西九江 332007）

0 引言

随着高校规模的壮大，对学生参与教学活动的考勤管理，成为了学生工作中极其重要的部分［1］。现阶段对学生的考勤管理，使用的仍然是由教师主导或监督的点名考勤方式，这种方式简单易行，但是存在很多问题：首先是时间上的浪费，尤其是在一些合班大课上，人数众多；其次是考勤数据的统计困难，如果想要汇总全校学生的考勤数据将会耗费大量的人力和时间，并且其中包含请假等特殊的情况，所以准确性难以保证；再次是信息反馈困难，存在管理人员和学生很难及时、准确的了解考勤情况。

近几年，使用物联网技术进行考勤系统设计的研究成为热点，这些研究方案在理论和实践上都作出了有意义的探索［2］，但是应用实施却面临诸多问题难以实现。例如，使用普通RFID卡片的身份识别考勤系统，它存在几个问题。首先，要求被考勤人员予以主动配合，如果用于对学生的上课考勤，这种方式可能使得被考勤人员一天内要实现多次识别，增加负担实际中难以实现；其次，如果大量人员在同一时段需要进行识别记录，显然系统难以满足；第三，容易实施代替考勤，考勤效果难以令人满意。

由于以上方式存在诸多问题，本文提出了一种基于物联网技术，利用RFID技术与SIM卡结合的智能考勤管理系统的设计方案。

1 设计思想

本系统主要由电子标签（RF－SIM卡）、读写器、无线传输模块、服务器和管理系统组成。设计思想是，在各教学楼的门厅设置远距离（1CM－500CM）射频识别读写器，学生携带装有电子标签（RF－SIM卡）的手机通过教学楼门厅，读写器大量快速识别通过门厅的学生身份，通过无线传输模块存储到远端服务器，记录下学生进入和离开教学楼的考勤时间；每天考勤管理系统通过比对服务器中学生考勤时间和课程安排表，得出学生的考勤的状态，筛选或标记出考勤异常状态的学生记录，生成考勤情况表。

2 系统硬件组成及工作原理

学生智能考勤系统的硬件主要由主控模块、电子标签、读卡器、无线数据传输模块等构成。

2.1 主控模块

主控模块使用微型计算机，运行智能考勤管理系统、数据库，作为整个系统的控制中心、服务器端，通过无线通信模块进行考勤信息的采集，系统对数据进行汇总分析，各相关设备可以通过USB、RJ45、COM等端口与主控模块相互连接通信。系统的框架结构如图1所示。

图1 系统的框架结构图

2.2 电子标签

系统中射频识别采用的电子标签是RF－SIM卡，是将现有成熟RFID技术和射频识别通信芯片集成到SIM卡中，外型尺寸和普通的SIM卡的规格完全相同。射频识别有多个频段，分别是低频、高频、超高频和微波频段。RF－SIM卡采用的是微波2.4G频段，有效双向通信距离可达500CM，在保留普通SIM卡的基本通讯功能的同时，可以实施中近距离的无线数据通信，例如移动小额付费和身份识别认证，符合ISO7816传输协议的规定。具有功耗低、安全性高、远距离识别、双向双工、数据传输带宽较大等特点，且在一定发射功率上工作无需无线电使用许可，最大优点是用户原有的电话号码和手机都不需要更换，只需要更换一张RF－SIM卡，符合用户的使用习惯。

RF－SIM卡内含有一个微处理器，本质上属于智能卡（CPU卡），并集成了芯片操作系统（COS），相当于一台微型计算机。RF－SIM卡原理结构如图2所示，其中SIM模块部分实现移动通信的功能，RFID模块部分实现无线射频识别中的电子标签功能，微处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、用户数据存储器EEPR使得RF－SIM卡不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。

图2 RF－SIM卡原理结构示意图

2.3 读卡器模块

根据系统的设计要求，需要对远距离（500CM）的电子标签进行识别记录，本系统中选用直通电讯的中远距离的SHRM203型读写模块。SHRM203是一款低功耗、体积小的微波2.4G频段RFID读写模块，支持ISO7816传输协议的规定，能够对符合协议规范的RFID电子标签进行读写操作。主要应用于无需距离控制的应用场景。可以实现对RF－SIM卡的卡号的读操作，该模块提供标准异步串行通讯（UART）或韦根（Wiegand）协议输出，适用于各类门禁器、身份识别等。

RF－SIM卡号，为16位16进制数，每位号码按4Bit16进制数编码。为了保证卡号的唯一性可以采用UART和Wiegand66协议输出，本系统采用UART输出，数据通信格式如表1所示：

表1 SHRM203读卡模块数据通信格式说明

图3 考勤管理系统用户界面

2.4 无线数据传输模块

无线数据传输模块实现把读卡器模块获取的数据发送给计算机。本系统选用的是无线龙紫蜂（ZigBee）无线网络专业开发系统C51RF－CC2530－PK，是基于CC2530／CC2531的专业开发系统，完全满足IEEE802.15.4标准和紫蜂（ZigBee）2007／PRO技术标准的无线网络技术设计开发［3］。

3 系统软件设计

3.1 主控模块的软件设计

主控模块是本系统中负责主要管理控制，具有用户权限管理、学生信息管理，对射频识别设备提供的数据进行处理分析，并对比数据库中数据，得出考勤情况等功能，在整个系统中担负重要的责任。本系统中使用 Microsoft Visual C＋＋设计用户界面，使用Microsoft Access建立数据库，数据库中主要包括学生课程安排表、学生基本信息表、考勤情况表等。系统应用程序的用户界面如图3所示。

3.2 读卡器与无线通信模块的数据传递

安装在教学楼门厅的读卡器模块在有效范围内发射无线射频信号，进入识别范围的电子标签（RF－SIM卡）获得感应电流，激活电子标签中RFID模块，并通过射频信号发送数据，读卡器模块接收数据后通过UART传递给无线通信模块。

通过函数 HANDLE OpenComm （int portNo）、void CloseComm （HANDLE hCom）实现对串口的打开关闭操作，无线通信模块分别使用函数RecvUartData（）、halUartWrite（）进行数据的接收和发送，部分主要代码如下：

3.3 无线通信模块组网

在无线通信模块中，ZigBee协调器负责网络的搭建，是整个网络的核心，它的作用是启动网络，其方法是选择一个相对空闲的信道，形成一个PANID（网络编号），它也会协助网络中安全层及处理应用层的绑定，连接ZigBee设备的终端进行组网，当整个网络配置启动完毕后，协调器退化为普通路由器，提供接力作用且能扩展信号的传输范围，保障ZigBee终端节点设备的组网。协调器通过COM端口与主机连接。