張瓊英,王能河,張偉剛,瞿少成

(華中師范大學(xué)電子信息工程系,湖北武漢 430079)

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基于RFID和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級(jí)考勤管理系統(tǒng)*

張瓊英,王能河,張偉剛,瞿少成**

(華中師范大學(xué)電子信息工程系,湖北武漢 430079)

【目的】針對(duì)考勤管理移動(dòng)性差、數(shù)據(jù)難以共享、過(guò)于依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)等缺陷，設(shè)計(jì)一種基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級(jí)管理考勤系統(tǒng)?！痉椒ā炕贛FRC500與STC89C52設(shè)計(jì)被動(dòng)非接觸式RFID考勤讀卡子系統(tǒng)；采用CC2530設(shè)計(jì)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；基于Linux/QT完成ARM主控平臺(tái)開(kāi)發(fā)?！窘Y(jié)果】系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多RFID讀卡子系統(tǒng)的自組網(wǎng)、子節(jié)點(diǎn)與主控平臺(tái)的分級(jí)管理?！窘Y(jié)論】測(cè)試表明，該系統(tǒng)部署靈活，能適應(yīng)復(fù)雜的樓宇環(huán)境，且性?xún)r(jià)比較高，具有一定推廣價(jià)值。

RFID ZigBee 考勤管理

0 引言

【研究意義】考勤是各種機(jī)構(gòu)人員管理的重要內(nèi)容，一方面可確保人員的安全，一方面可用于考察紀(jì)律。傳統(tǒng)的考勤管理還停留在紙質(zhì)簽到，效率低、實(shí)時(shí)性差，管理不方便，有必要研發(fā)新的考勤管理模式?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】引入計(jì)算機(jī)技術(shù)的考勤管理方式主要有人臉識(shí)別[1-2]，指紋識(shí)別[3-4]，射頻識(shí)別[5-6]等。人臉識(shí)別和指紋識(shí)別可靠性強(qiáng)，不易仿冒，但硬件成本高。射頻識(shí)別可靠性不如前兩種，但成本低廉。目前的考勤系統(tǒng)可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是單機(jī)型，可以獨(dú)立完成考勤過(guò)程，應(yīng)用廣泛，但還有一些缺點(diǎn)——一方面有線連接的方式讓系統(tǒng)在樓宇環(huán)境中部署困難，移動(dòng)性差；另一方面，當(dāng)員工的分布較為分散時(shí)，單機(jī)系統(tǒng)對(duì)大量的人員考勤工作來(lái)說(shuō)使用不便利。而且單機(jī)型的考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以共享，管理層次簡(jiǎn)單。另一類(lèi)是聯(lián)機(jī)型，使用時(shí)需要后臺(tái)計(jì)算機(jī)的配合，數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)上傳，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或后臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行故障時(shí)，容易導(dǎo)致考勤工作癱瘓等問(wèn)題[7-8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】考慮引進(jìn)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，彌補(bǔ)上述考勤管理系統(tǒng)的缺陷?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)RFID、ZigBee技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于RFID和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級(jí)管理考勤系統(tǒng)。非接觸式RFID考勤讀卡子系統(tǒng)不僅獨(dú)立完成子區(qū)間內(nèi)的考勤數(shù)據(jù)采集，還能通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多RFID讀卡子系統(tǒng)的自組網(wǎng)功能。在此基礎(chǔ)上，基于Linux/QT完成ARM主控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了子節(jié)點(diǎn)與主控平臺(tái)的分級(jí)管理，并預(yù)留了Web后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

考勤管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1，主要分為考勤終端，網(wǎng)絡(luò)傳輸，ARM主控平臺(tái)3個(gè)部分?？记诮K端采用 RFID[9]，完成單點(diǎn)的考勤工作，并將讀取到的標(biāo)簽信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳?？紤]到系統(tǒng)部署的繁瑣問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成本[10]，網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)接收到不同考勤終端上傳的數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口將其發(fā)送給ARM主控平臺(tái)。主控平臺(tái)集中處理數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)到本地的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)考勤的分級(jí)管理。管理員可通過(guò)ARM平臺(tái)上的QT界面管理考勤信息，或通過(guò)Web的方式管理。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考勤管理系統(tǒng)的硬件部分由考勤終端、ZigBee網(wǎng)關(guān)、ARM平臺(tái)組成(圖2)?？记诮K端主要由RFID讀卡器、ZigBee模塊、顯示模塊、電源模塊組成。

圖2 考勤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 RFID讀卡器

RFID讀卡器由MCU、射頻讀卡芯片、天線組成。射頻芯片選擇MFRC500型芯片作為射頻讀卡芯片。MFRC500完全集成13.56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，可方便的用于各種基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信[11]。MifareIC卡與MFRC500通信的基本原理：RC500向Mifare卡發(fā)送固定頻率的電磁波(13.56 MHz)，此頻率與Mifare卡內(nèi)部的LC諧振電路的諧振頻率相同，Mifare卡被激活后與RC500之間即能夠進(jìn)行信息傳遞。其中MFRC500使用并行接口與MCU相連。出于成本考慮MCU選擇價(jià)格低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、能滿(mǎn)足讀卡器設(shè)計(jì)需求的STC89C52。MCU通過(guò)控制MFRC500以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽(Mifare卡)的讀寫(xiě)，將相應(yīng)的指令寫(xiě)入MFRC500相應(yīng)的寄存器中來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。由于系統(tǒng)采用被動(dòng)式標(biāo)簽，標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)部電源，所以讀寫(xiě)器的MCU不能直接對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作，需要通過(guò)射頻讀卡芯片發(fā)射射頻載波信號(hào)，給標(biāo)簽提供能量，激活標(biāo)簽，通過(guò)后續(xù)的認(rèn)證后，MCU方能訪問(wèn)標(biāo)簽。

2.2 ZigBee無(wú)線通信模塊

ZigBee無(wú)線通信模塊由ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊組成。通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器都采用TI公司的CC2530(CC2530集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)單元和高性能低功耗的8 051位處理器)。ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)上傳RFID讀寫(xiě)器中的電子標(biāo)簽信息以及接受從協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)傳輸，為子節(jié)點(diǎn)分配地址，建立綁定表。協(xié)調(diào)器將子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)紸RM平臺(tái)，當(dāng)收到上位機(jī)下發(fā)的命令時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 考勤終端主程序

考勤終端的主程序設(shè)計(jì)平臺(tái)采用KeiluVersion 5，C語(yǔ)言編程，主程序流程如圖3所示。當(dāng)卡片進(jìn)入到讀取范圍時(shí)，讀取Mifare卡的信息。讀卡操作步驟包含請(qǐng)求、反碰撞、選擇、認(rèn)證、讀塊。當(dāng)確認(rèn)卡片為有效Mifare射頻卡時(shí)，會(huì)得到卡片的序列號(hào)，通過(guò)認(rèn)證后，可以從卡中讀出其EEPROM的值，每次僅讀出一個(gè)塊的數(shù)據(jù)，即16個(gè)字節(jié)，每次讀到電子標(biāo)簽后，即把數(shù)據(jù)打包，由ZigBee模塊上傳讀到的電子標(biāo)簽信息。

圖3 考勤終端程序流程

3.2 ZigBee程序

ZigBee模塊程序在TI公司的ZSTACK協(xié)議棧上開(kāi)發(fā)。ZSTACK采用OSAL操作系統(tǒng)，其應(yīng)用程序的運(yùn)行機(jī)制通過(guò)事件來(lái)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行機(jī)制圖4所示。事件是驅(qū)動(dòng)任務(wù)去執(zhí)行某些操作的條件，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)事件，將這個(gè)傳遞給相應(yīng)的任務(wù)后，任務(wù)才能執(zhí)行一個(gè)相應(yīng)的操作。

圖4 OSAL運(yùn)行機(jī)制

ZigBee節(jié)點(diǎn)程序初始化后，開(kāi)始搜尋網(wǎng)絡(luò)。搜到網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)會(huì)加入網(wǎng)絡(luò)，并在成功入網(wǎng)分配ID后，開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，若有就將數(shù)據(jù)打包幀格式，發(fā)到協(xié)調(diào)器上，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀由16個(gè)字節(jié)組成，依次包含協(xié)議號(hào)(4個(gè))、設(shè)備號(hào)(6個(gè))、卡號(hào)(2個(gè))、考勤時(shí)間(3個(gè))、校驗(yàn)碼(1個(gè))。

ZigBee協(xié)調(diào)器程序初始化后，開(kāi)始組建網(wǎng)絡(luò)，建立路由表。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，會(huì)依據(jù)不同的類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的操作：若該消息是子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器會(huì)分配ID給子節(jié)點(diǎn)。若是子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī)。若是協(xié)調(diào)器接收到從上位機(jī)下發(fā)的命令，即進(jìn)行下一級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 ARM主控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

主控平臺(tái)的軟件基于Linux/QT開(kāi)發(fā)。在ARM平臺(tái)上移植Linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開(kāi)源足，系統(tǒng)運(yùn)行資源少，效率高等優(yōu)點(diǎn)。QT能實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)編程，移植性好，給開(kāi)發(fā)者提供了強(qiáng)大的圖形界面開(kāi)發(fā)所需的功能。QT應(yīng)用程序接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，管理員可在QT界面上查看，實(shí)現(xiàn)考勤的分級(jí)管理。采用Sqlite 3建立考勤數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)考勤紀(jì)律表，用戶(hù)表，設(shè)置表。考勤紀(jì)律表包含用戶(hù)ID、考勤時(shí)間、上班時(shí)間、考勤情況，用戶(hù)表包含用戶(hù)ID、姓名、類(lèi)型、部門(mén)，設(shè)置表包含ID和規(guī)定的上班時(shí)間。

ARM平臺(tái)同時(shí)移植了一個(gè)Boa服務(wù)器，Boa是Linux/Unix下的一種單任務(wù)的Http服務(wù)器，其源代碼開(kāi)放，性能優(yōu)秀。ARM平臺(tái)上的Web應(yīng)用服務(wù)程序基于C/S架構(gòu)，主要向局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)提供服務(wù)，管理員可以通過(guò)Web的方式查看考勤數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

考勤系統(tǒng)測(cè)試分為3部分。第1部分測(cè)試電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離，實(shí)測(cè)100次，最大讀寫(xiě)距離達(dá)到6 cm。第2部分測(cè)試ZigBee模塊傳輸距離，如表1所示?？梢钥闯鲇姓系K測(cè)試(室內(nèi)樓宇環(huán)境)中，75 m范圍內(nèi)信號(hào)傳輸正常，當(dāng)傳輸距離增加到100 m時(shí)，信號(hào)不穩(wěn)定。無(wú)障礙測(cè)試(室外空曠環(huán)境)中，當(dāng)傳輸距離超過(guò)275 m，信號(hào)不穩(wěn)定，距離更大時(shí)接收不到信號(hào)。第3部分測(cè)試系統(tǒng)故障率。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行密集刷卡測(cè)試(連續(xù)每隔5 s刷1次卡，持續(xù)100次)，數(shù)據(jù)上傳、QT界面運(yùn)行、Web的訪問(wèn)正常。系統(tǒng)運(yùn)行30 d，運(yùn)作良好，數(shù)據(jù)上傳率為94%。

表1 ZigBee模塊傳輸距離測(cè)試

5 結(jié)論

通過(guò)RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種終端結(jié)合網(wǎng)絡(luò)且成本低廉的通用考勤管理系統(tǒng)。終端子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)的考勤管理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享?；贚inux/QT完成ARM主控平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了考勤信息的分級(jí)管理。測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠?qū)﹄娮訕?biāo)簽遠(yuǎn)程識(shí)別，能在樓宇環(huán)境中工作，且整體運(yùn)行良好。在后續(xù)工作中，有必要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并基于考勤系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)增加數(shù)據(jù)挖掘功能。

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(責(zé)任編輯：尹 闖)

Universal and Hierarchical Attendance Management System Based on RFID and ZigBee Network

ZHANG Qiongying,WANG Nenghe,ZHANG Weigang,QU Shaocheng

(Department of Electronics and Information Engineering,Central China Normal University,Wuhan,Hubei,430079,China)

【Objective】A design of universal and hierarchical attendance system,which uses RFID and ZigBee network,is proposed to fix the shortcomings of attendance management.【Methods】Based on MFRC500 and STC89C52,a passive contactless RFID reader subsystem is designed.Multi-RFID reader subsystems can be attached by ZigBee wireless sensor network using CC2530.A master platform based on Linux/QT is developed.【Results】This system can achieve hierarchical attendance management for child node and host platform,respectively.Also a web background data management system is provided for data mining in future.【Conclusion】Experiments show that the system can be easily implemented and works stable in complex environment.

RFID,ZigBee,attendance management

2016-06-29

修回日期：2016-07-28

張瓊英 (1992-)，女，碩士研究生，主要從事嵌入式技術(shù)研究。

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61074046/F030107)，中央高校探索創(chuàng)新項(xiàng)目(CCNU15A02060)和廣東省順德區(qū)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2015-6)資助。

**通訊作者：瞿少成 (1971-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能信息處理與控制,E-mail：qushaocheng@mail.ccnu.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2016-09-13 【DOI】10.13656/j.cnki.gxkx.20160913.013

http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1206.G3.20160913.0950.026.html

TP3

A

1005-9164(2016)04-0381-04

廣西科學(xué)Guangxi Sciences 2016,23(4):381～384