鐘 鳴

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

隨著我國(guó)人口數(shù)量的增加，高等院校的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，在校學(xué)生人數(shù)也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)共有普通高等學(xué)校2 688所，比上年增加25所，增長(zhǎng)了0.94%，普通高等學(xué)校校均規(guī)模11 260人[1]。高校學(xué)生數(shù)量的增加，加上高校校區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，必然給高校的考勤工作帶來難度。傳統(tǒng)的考勤方式多以人工點(diǎn)名為主，往往需要多人參與，過程繁瑣，效率較低；考勤數(shù)據(jù)很多以紙質(zhì)方式存儲(chǔ)，往往不準(zhǔn)確，又容易丟失。因此，筆者針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了一種教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)。

1 教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，第一層為上位機(jī)，第二層為教室管理節(jié)點(diǎn)，第三層為座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。第一層上位機(jī)一般設(shè)置到學(xué)校教務(wù)人員辦公室，儲(chǔ)存有學(xué)校的學(xué)生信息、教室信息、考勤信息等，上位機(jī)與第二層教室管理節(jié)點(diǎn)連接。第二層教室管理節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)教室的講臺(tái)，教室管理節(jié)點(diǎn)是上位機(jī)和座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間信息交互的中間橋梁，同時(shí)也是提供給任課教師信息交互的界面。第三層座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在教室的每個(gè)座位，實(shí)時(shí)采集學(xué)生的出勤情況，并將采集的信息傳遞給第二層教室管理節(jié)點(diǎn)，再由教室管理節(jié)點(diǎn)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行信息匯總，并將考勤信息反饋給教室管理節(jié)點(diǎn)，任課教師就可以獲取當(dāng)前的考勤信息。對(duì)于整個(gè)教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)而言，每個(gè)座位就是一個(gè)控制對(duì)象，因而本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有控制對(duì)象多、分布分散、控制距離長(zhǎng)的特點(diǎn)；同時(shí)，考勤的情況隨時(shí)發(fā)生變化，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集并傳送信息，因此采用分布式控制體系實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)。

GPRS是指“通用無線分組業(yè)務(wù)”，是在GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))的基礎(chǔ)上建立的一種無線分組交換系統(tǒng)，非常適合突發(fā)性、間斷性或者數(shù)據(jù)量比較小但是數(shù)據(jù)收發(fā)比較頻繁的數(shù)據(jù)傳輸[2]。本系統(tǒng)中第一層和第二層的數(shù)據(jù)傳送需要實(shí)時(shí)處理，一次傳送一般只涉及到一個(gè)教室管理節(jié)點(diǎn)信息，所以采用GPRS來實(shí)現(xiàn)非常適合。本系統(tǒng)的第二層和第三層也需要進(jìn)行信息傳遞，考慮到一個(gè)教室管理節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)較多，可以采用CAN總線技術(shù)來滿足設(shè)計(jì)要求。CAN總線是當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[3]，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standards Organization，ISO)的一種串行總線通信協(xié)議，協(xié)議較完善，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸[4]。因此本文將結(jié)合GPRS與CAN總線組建三層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制單元的選擇

單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)的最主要控制器。整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出通過單片機(jī)協(xié)同工作，同時(shí)，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)及BUS總線的通信。系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC12C5A60S2單片機(jī)。STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的8位單片機(jī)，在原有的MCS-51內(nèi)核基礎(chǔ)上做了很多改進(jìn)，是新一代增強(qiáng)型單片機(jī)。STC12C5A60S2的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但運(yùn)行速度快8倍～12倍。STC12C5A60S2內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，這也使得STC12C5A60S2單片機(jī)在很多控制系統(tǒng)中成為主要的控制單元。本系統(tǒng)在教室管理節(jié)點(diǎn)以及座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)均采用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行信息處理。

2.2 座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在教室的每個(gè)座位。在每個(gè)座位的課桌上安裝有指紋采集模塊，用于采集就坐學(xué)生的指紋。每個(gè)座位的座椅上安裝有壓力檢測(cè)模塊，用于采集座位上是否有人入座，以及監(jiān)控就坐時(shí)間。以上信息經(jīng)過單片機(jī)處理后通過CAN總線傳送給教室管理節(jié)點(diǎn)。座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的原理框圖見圖2。

圖2 座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的原理框圖

2.3 教室管理節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)的教室管理節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)教室的講臺(tái)上。教室管理節(jié)點(diǎn)是座位信息和上位機(jī)信息進(jìn)行交互的中間橋梁，單片機(jī)將接收到的每個(gè)座位上的指紋信息和就坐信息通過GPRS通信模塊和無線網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)在下課前將統(tǒng)計(jì)匯總的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給教室管理節(jié)點(diǎn)單片機(jī)，單片機(jī)連接的液晶顯示器上可顯示當(dāng)前課程缺勤學(xué)生信息及缺勤時(shí)間。教室管理節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖3所示。

圖3 教室管理節(jié)點(diǎn)的原理框圖

2.4 具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選取PHILIPS公司的SJA1000CAN總線通信控制器。SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000作為一種高集成度CAN控制器，支持CAN2.0規(guī)范，具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、成組與廣播報(bào)文功能及硬件濾波功能[5]。本系統(tǒng)中教室管理節(jié)點(diǎn)與座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行通信，且座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)一般較多，考慮到距離和干擾因素，本系統(tǒng)選用PCA82C250作為CAN收發(fā)器。PCA82C250是工業(yè)設(shè)計(jì)中廣泛使用的CAN收發(fā)器，完全符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)，它具有速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)、總線保護(hù)等性能優(yōu)點(diǎn)。CAN通信部分的硬件電路圖如圖5所示。PCA82C250是CAN總線通信控制器與物理總線之間的接口，PCA82C250的TXD為發(fā)送引腳，提供向CAN總線的差動(dòng)發(fā)送能力；RXD為接收引腳，提供CAN控制器的差動(dòng)接收能力。SJA1000的外部振蕩輸入引腳XTAL1與STC12C5A60S2的XTAL2晶振引腳連接，解決CAN總線的時(shí)鐘同步的問題。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由于傳輸距離遠(yuǎn)，考慮到干擾信號(hào)，因此SJAl000的TX0與RX0不直接與PCA82C250的TXD和RXD相連。因?yàn)橄到y(tǒng)中座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)較多，且座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間距離較近，因此系統(tǒng)選用高速光耦6N137與PCA82C250相連,這樣很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離問題。

圖4 CAN總線的硬件電路圖

座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)需要采集入座學(xué)生的個(gè)人信息及入座時(shí)間，分別選用指紋采集模塊和壓力檢測(cè)模塊。指紋采集模塊選取FM-70光學(xué)指紋模塊。FM-70光學(xué)指紋模塊是具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)和儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。FM-70的模塊數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TD和STC12C5A60S2的數(shù)據(jù)接收端RXD連接，F(xiàn)M-70的模塊接收引腳RD和STC12C5A60S2的數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD連接，實(shí)現(xiàn)FM-70指紋模塊與單片機(jī)的串口通信。本系統(tǒng)采用壓力檢測(cè)模塊來實(shí)時(shí)采集座位壓力數(shù)據(jù)以此判斷座位是否空閑。壓力檢測(cè)模塊主要由稱重傳感器組成，系統(tǒng)選用ZEMIC L6LC3-100 kg稱重傳感器。ZEMIC L6LC3-100 kg采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過放大后與STC12C5A60S2的P1.0和P1.1連接，STC12C5A60S2對(duì)A/D處理轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)處理后得出重量，以此判斷座位是否空閑。

3 軟件設(shè)計(jì)

在Keil軟件中實(shí)現(xiàn)教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用C語言分別對(duì)各個(gè)座位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、各個(gè)教室管理節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)三層進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。各部分程序按模塊劃分。其中指紋程序模塊主要實(shí)現(xiàn)指紋的錄入，包括圖像采集、圖像分割、二增值處理和細(xì)化處理等；通信模塊主要解決CAN總線和GPRS的通信設(shè)置；液晶程序模塊主要實(shí)現(xiàn)液晶屏上實(shí)時(shí)顯示教室管理節(jié)點(diǎn)上的考勤情況；上位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)識(shí)別、存儲(chǔ)、判斷等；壓力檢測(cè)模塊完成座位有無學(xué)生的檢測(cè)與分析。

4 結(jié)語

本文介紹了基于單片機(jī)的教室自動(dòng)考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集教室座位上的學(xué)生指紋及入座時(shí)間，通過CAN總線將信息傳遞給教室管理節(jié)點(diǎn)，教室管理節(jié)點(diǎn)再通過GPRS通信模塊和無線網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)進(jìn)行信息匯總和存儲(chǔ)。本系統(tǒng)安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能自動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)行考勤，具有較高的推廣價(jià)值。