基于超声波+NFC技术的考勤统计应用系统研究

2023-02-19曹昕妮程子懿

电子制作 2023年3期

曹昕妮，程子懿

（天津工业大学，天津， 300382）

0 引言

学风建设，校园管理对学校的教学成果有显著影响。多数学校为了满足人才培养的需求，强调学生个人能力培养，提升学校管理水平，采用学生课堂考勤管理系统。当今很多高校仍采用表格统计情况的形式，由班干部配合老师将考勤数据逐级上报[1]。随着物联网时代的到来，人工统计出勤具有效率低，速度慢等缺点，仅靠人工统计出勤难以满足学校日常管理需求。为解决上述问题，提高考勤统计效率，当今考勤系统大致分为以下几种类型：手机智能考勤平台、生物识别考勤平台、智能卡考勤平台、蓝牙设备考勤平台、WEB考勤平台、SSH构架考勤平台[1]。

当今很多学校仍面临着学生迟到早退等问题，虽然签到系统可以一定程度上起到督促作用，但传统的签到系统难免存在学生代签，或者签到后学生中途离开等情况，使得教师无法及时得到学生的真正的考勤数据。

当今疫情形势更加严峻的形势情况下，为保障广大学生的健康，该系统增加了红外线测温模块以完成对学生的体温监测，以满足疫情防控基本需求。通过计算机后台统计，教师可在电子显示屏或Android移动终端上查看学生的考勤情况以及体温情况。该系统将教师从繁琐的考勤统计工作当中解脱出来，使教师可以将更多的时间和精力投入到教学工作当中。由于Android操作系统具有开源的特点，源代码丰富，比较容易进行二次开发[2]。

1 系统总体设计

该系统分为核心模块、测温测距模块、NFC感应模块以及电源模块。AT89C52单片机完成对数据的加载、处理和输出。同时采用HC-SR04超声波测距模块以及DS18B20红外线测温模块完成实时监测，并且输出数据流。选用合适的存储器，缓冲数据，使得处理器能加载完成处理与输出数据。通过电磁场耦合原理NFC感应模块可完成签到打卡活动。电源模块则稳压输出5V电压供给AT89C52单片机、红外线测温模块、HC-SR04超声波测距模块。NFC技术作为一种近距离非接触式无线通信技术[3]，可广泛应用于校园一卡通上。与传统技术相比较该系统传输速度快，操作简单，同时作为核心部分的AT89C52单片机也具有成本低、可靠性高、多端口等优点。

图1 系统总框图

2 系统移动终端显示

为方便教师掌握学生出勤情况，该出勤系统会将教室的座位情况显示在移动终端的屏幕中。该系统呈现了座位是否有人，以及学生的体温情况。如若体温不正常系统则会提醒教师，满足学校的常态化防疫需求。

3 系统主体硬件配置

（1）测温模块：该系统包含的红外测温模块通过测量目标的红外辐射能量，并将该信号转变为电信号，进而得到目标的温度值。

温度传感器我们使用了DS18B20，该传感器在-10℃～+85℃范围内精度为0.5℃。在DQ端上拉一个电阻接到单片机P2.3端口。温度传感器将测量得到温度信号转变为数字信号传给单片机。时钟电路由11.0952MHz晶振以及30pF电容C1和C2构成。其向单片机发送时钟信号作为系统时间，使单片机可以正常工作。显示模块我们使用LM016液晶显示屏。D0-D7端口为双向数据端口分别连接至单片机P0.0～P0.7端口。RW端为读写信号选择端，E为使能端，RS为数据选择端。

图2 红外测温模块原理图

仿真模块我们采用的是Proteus软件，结果如图3所示。

图3 测温模块电路仿真图

（2）测距模块：本项目使用HC-SR04超声波测距模块进行人体探测，其对于静止物体测距结果较为精准。其原理为：模块四个引脚触发信号Trig，回声信号Echo，供电VCC和GND，测量周期60ms以上。当给Trig一个10μs以上的脉冲时，HC-SR04内部自动循环发出8个40kHz的脉冲，Echo刚收到回波时置一(超出一定范围收到的信号不够时，HC-SR04置一定时器不计数)，单片机定时器开始计数，直到Echo没有收到信号置零，记了TH+TL次机器周期，一个机器周期需要12个振荡周期，由此时间就可以计算出来，再用时间乘速度就可以计算出距离S。

图4 测距传感器引脚图

测距模块具有四个引脚，分别为VCC、GND、TRIG以及ECHO。其四个引脚分别接5V电源、接地、触发控制信号输入端以及回声信号输出端。其中触发信号输入端在本项目中接AT89C52单片机P2.3引脚，回声信号输出端接单片机P2.4引脚。其中单片机18、19引脚接时钟电路，时钟电路由11.0952MHz晶振以及30pF电容C1和C2构成。其向单片机发送时钟信号作为单片机的机器周期，使单片机可以正常工作。使用Altium Designer软件绘制的原理图如图5所示。

图5 测距模块原理图

当座位上出现人员时，系统所记录的机器周期TH+TL将会明显降低，所以所测量的距离S会相应减少。故而当数值S小于一定值时，我们可以判定该座位有人。同时，为防止书本桌椅对超声波测量的干扰，该系统的超声波测量装置超声波的发射方向具有一定角度。系统还将设定合理的时间限制，以降低该系统的敏感性提高其实用性。当座位被判定无人时，系统则会启动计时程序，计时结束时才会被判定为“擅自离开”。

仿真我们使用了Proteus软件进行仿真实验。按照此前在AD中绘制的电路图绘制原理图，超声波测距模块选用HC-SR04模块。此后在Proteus中导入编译c语言生成的.hex文件，进行仿真。

（3）主体模块：AT89C52单片机完成对数据的加载、处理和输出。此芯片应用广泛，成本较低，稳定性高。

图6 测距模块仿真结果

（4）NFC模块：NFC由RFID技术发展而来，其具有稳定性高，无损耗，使用周期长等诸多优点[4～5]。

NFC技术又称近场通信技术，故而只能在小于10cm时才可以进行数据传输，此特性在某种程度上提高了数据传输的安全性[5]。在当今信息技术迅速发展的时代，该技术发展愈发成熟，其应用涵盖城市交通、移动支付、身份识别等多个生活中常见的场景。其技术原理大致为：发射器主动产生一个射频场，通过两个环形天线之间的电磁感应为标签供电。发射器的天线和标签通过电磁场耦合，该系统可以被看作是一个空芯变压器，其中阅读器作为初级绕组，标签作为次级绕组：交流电通过初级线圈（发射器）在空气中感应磁场，在次级线圈（标签）中产生感应电流。标签可以使用来自磁场的电流为自己供电：在这种情况下，不需要电池为其供电。该系统增加了NFC标签，学生可将带有NFC感应功能的设备（如智能手机、校园卡等）靠近系统即可完成学生身份的识别。此方式具有简单便捷识别速度快识别准确等优点。可广泛地应用于课堂签到以及图书馆座位管理等场景。

图7 NFC标签原理图

能量收集输出VOUT连接至VCC引脚，用于为NFC芯片充电。VOUT与VSS之间连接一个220nF电容，以保证射频通信正常工作。LED以及其串联电阻由VOUT供电。天线线圈参数的计算过程如下：

NFC芯片与环形天线可等效成一个串联RLC电路，由下式可计算出NFC天线的等效电感：

L是未知电感值，f为谐振频率，C是电路等效电容。芯片协调电容值为50pF，NFC工作频率为13.56MHz。则NFC天线等效电感2.75μH，据此进一步得到天线的几何参数。

4 软件设计

本项目将设计签到界面：签到时系统会让学生输入自己的姓名、学号、班级等基本信息，由此学生可以完成签到。

图8 签到界面

学生完成签到以后系统会监测座位的实时状况。并自动统计学生人数，同时与系统中的学生名单做比较，记录学生考勤状况。并可以实时测量学生体温，并将学生考勤状况及学生健康状况实时反馈到教师的客户端中。当学生离开座位的状态超过一定时间时，系统会自动判定为擅自离开。并提醒教师采取相应措施，系统还将发送消息给相应同学，提醒其迅速回到课堂。如果学生对自己的出勤状况有异议，比如自己并未离开而系统却将其判定为缺勤状态，系统还设有“申诉”按钮。当学生按下该按钮时系统则会给教师端发送信息提醒教师，当教师确认无误后可以撤销该名学生的缺勤记录。系统设计更符合日常教学生活场景。

如果学生体温发生异常系统则会自动发出警报，并传送至教师端。若出现此种情况，教师则需采取相应疫情防控措施，减少疫情传播风险。

图9 主程序流程图

5 结语

签到考勤是教学进程中必不可少的一部分，出勤情况直接关系到人才培养情况、教师的教学成果。建立起优良学风，考勤工作是至关重要的一个环节，因此需要一套完善的考勤评价系统。本文提出了一种可靠且实用性较高的方式，该方式满足了日常签到打卡的需求，并结合当下我国国情，满足当下疫情防控常态化需求。并且该系统具有实时监测的优点，减少了教师的日常工作。将现代科技应用到校园当中，为促进智慧校园建设打好基石。让信息技术为广大教师服务，一定程度上提升教育信息化水平。