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        基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2022-05-18 02:37:58李新春賈寶山紀(jì)小璐彭成萬(wàn)里
        傳感器與微系統(tǒng) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:信息系統(tǒng)學(xué)生

        李新春, 魏 武, 賈寶山, 紀(jì)小璐, 彭成萬(wàn)里

        (1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105)

        0 引 言

        考勤系統(tǒng)是用于考核和記錄被考核人員是否按時(shí)出勤的管理系統(tǒng),最初是為企業(yè)所設(shè)計(jì)[1],而后被高校引進(jìn)用于學(xué)生考勤,考勤結(jié)果作為教師評(píng)價(jià)學(xué)生日常表現(xiàn)、學(xué)校掌握學(xué)生上課狀況以及分析改進(jìn)教學(xué)方向的重要依據(jù)。

        目前,大多數(shù)高校采用教師點(diǎn)名方式考勤,不僅效率過(guò)低,而且不可避免存在代替答到的現(xiàn)象。為彌補(bǔ)點(diǎn)名考勤方式的不足,引入射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)考勤,以射頻卡作為學(xué)生身份標(biāo)志,此方式提高了考勤效率,卻因需要攜帶射頻卡而產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。為此,市面上出現(xiàn)了指紋、人臉識(shí)別等新一代考勤機(jī),雖大大提高了識(shí)別準(zhǔn)確率和考勤效率,但成本高昂、操作復(fù)雜,且前期信息錄入耗時(shí)長(zhǎng)[2]。針對(duì)課堂這種人員密度大、空間狹小的應(yīng)用場(chǎng)景,全球定位系統(tǒng)(GPS)和藍(lán)牙考勤技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,但GPS在室內(nèi)空間定位準(zhǔn)確率較低,而藍(lán)牙在室內(nèi)環(huán)境下卻有穩(wěn)定表現(xiàn)。此外,市場(chǎng)現(xiàn)有考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸都是基于WiFi,但不支持局域網(wǎng),而高校大多有獨(dú)立無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)建設(shè)基礎(chǔ),因此,高校亟需一種適合自身實(shí)際使用環(huán)境的考勤系統(tǒng)。

        針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng),以STM32處理器為核心,以學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC為學(xué)生唯一身份標(biāo)志,結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)及WLAN,為高校提供一種可靠、便捷、穩(wěn)定的考勤系統(tǒng)。最終通過(guò)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境測(cè)試,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。

        1 總體設(shè)計(jì)方案

        考勤系統(tǒng)由藍(lán)牙考勤終端、手機(jī)管理App以及教學(xué)考勤管理系統(tǒng)組成,提供定時(shí)、手動(dòng)考勤模式,可由教師端App靈活選擇不同模式或組合,以提高考勤系統(tǒng)的約束性,減少逃課、早退等不良現(xiàn)象的發(fā)生。定時(shí)模式中教師可選擇考勤間隔,自動(dòng)進(jìn)行兩次考勤;手動(dòng)模式可以滿足任意時(shí)刻考勤需求。前期采集信息時(shí),學(xué)生在學(xué)生端App注冊(cè)上傳姓名、手機(jī)藍(lán)牙MAC等信息至教學(xué)考勤管理系統(tǒng)存儲(chǔ)??记跁r(shí),教師連接校園WLAN,在教師端App選擇考勤模式,從教學(xué)考勤管理系統(tǒng)下載學(xué)生考勤信息,通過(guò)藍(lán)牙傳輸至考勤終端,終端自動(dòng)掃描獲取范圍內(nèi)藍(lán)牙信號(hào)MAC與終端存儲(chǔ)的MAC比對(duì)標(biāo)記,考勤結(jié)果由教師端App上傳保存至教學(xué)考勤管理系統(tǒng)。圖1為考勤系統(tǒng)整體架構(gòu)。

        圖1 考勤系統(tǒng)整體架構(gòu)

        2 考勤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)硬件組成

        考勤系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)如圖2,主要有STM32主控、搜索/傳輸藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、時(shí)鐘、OLED液晶顯示以及工/備電源模塊。

        圖2 考勤機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2.2 信息處理與信息顯示設(shè)計(jì)

        信息處理及信息顯示設(shè)計(jì)包含STM32主控、時(shí)鐘以及OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì)。

        2.2.1 主控電路設(shè)計(jì)

        主控電路負(fù)責(zé)控制各模塊運(yùn)行時(shí)序,識(shí)別考勤模式,處理與App的數(shù)據(jù)傳輸,處理顯示相關(guān)信息。主控芯片采用STM32F103RCT6,自帶256 K字節(jié)FLASH,工作頻率可以達(dá)到72 MHz[3],滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理需求。如圖3,主要由復(fù)位、程序調(diào)試接口及Flash存儲(chǔ)電路組成。

        圖3 主控電路原理

        復(fù)位電路:用于復(fù)位STM32F103RCT6芯片,由一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成一階RC電路[4],當(dāng)RESET有兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí),系統(tǒng)即被復(fù)位。

        程序調(diào)試接口電路:STM32支持JTAG和USB轉(zhuǎn)串口接口下載調(diào)試程序。由于USB轉(zhuǎn)串口接口只需兩根線,故選擇使用USB轉(zhuǎn)串口接口。

        Flash存儲(chǔ)電路:用于掉電數(shù)據(jù)保存。采用W26Q16作為FLASH存儲(chǔ)芯片,掛載主控芯片SPI串口,用于存儲(chǔ)程序和重要數(shù)據(jù),使其掉電不丟失。

        2.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

        如圖4所示,采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路,提供時(shí)間信息,供參考及在定時(shí)模式中計(jì)時(shí)考勤間隔。該模塊由5 V和3.3 V雙電源供電,以保證掉電不掉時(shí)[5]。芯片內(nèi)部電路對(duì)外接的32.768 kHz晶振分頻后獲得周期為1 s的秒信號(hào),對(duì)秒計(jì)數(shù)獲得分、時(shí)、日、周、月、年并寄存在芯片內(nèi)部[6],通過(guò)三線接口供主控讀取。

        圖4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

        2.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

        采用I2C接口OLED液晶屏顯示信息,通過(guò)雙向二進(jìn)制同步串行總線SDA(數(shù)據(jù))和SCL(時(shí)鐘)與主控交換數(shù)據(jù)與指令[7]。芯片內(nèi)部集成總線接口,并設(shè)計(jì)濾波電路,濾去總線上噪聲干擾,因此,使用I2C總線可以降低硬件電路PCB布線冗余,提高了系統(tǒng)可靠性。

        2.3 藍(lán)牙模塊

        終端由藍(lán)牙模塊掃描獲取學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC完成考勤,再通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)App傳輸考勤信息。為避免造成控制混亂及傳輸誤碼,故取兩個(gè)藍(lán)牙模塊完成上述工作,稱為搜索藍(lán)牙和傳輸藍(lán)牙。為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),均采用同一型號(hào)即XY—MBD07A,分別通過(guò)USART2,3串口與主控連接。此藍(lán)牙模塊集成藍(lán)牙4.2LE+BR/EDR雙模芯片、藍(lán)牙協(xié)議基帶以及高增益射頻PCB天線,同時(shí)支持主從模式,滿足本設(shè)計(jì)掃描和傳輸需求。

        2.4 數(shù)據(jù)交換模塊設(shè)計(jì)

        該模塊負(fù)責(zé)連接U盤供主控存取考勤數(shù)據(jù),采用CH376S文件管理芯片,支持常用存儲(chǔ)設(shè)備,支持8位并口、SPI接口和異步串口通信[8]。由單獨(dú)低壓線性穩(wěn)壓器AMS1117—3.3將系統(tǒng)輸入電源降至3.3 V供電,利用USB-A接口座連接U盤,并由主控通過(guò)模擬SPI通信接口控制CH376S芯片存取U盤中文件。

        2.5 工/備電源模塊設(shè)計(jì)

        為滿足5 V和3.3 V模塊電壓需求,設(shè)計(jì)工/備電源電路如圖5。以DC 5 V適配器電源VDC為工作電源,3.7 V鋰電池VBattery為備用電源,由PMOS管控制選擇輸出。工/備電源同時(shí)輸入時(shí),VDC>VBattery,PMOS管關(guān)斷,工作電源供電,并通過(guò)充電芯片TP4054給鋰電池充電;若工作電源中斷或需移動(dòng)使用,VDC

        圖5 工/備電源電路

        3 考勤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        3.1 STM32軟件設(shè)計(jì)

        STM32軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、藍(lán)牙搜索和傳輸程序、數(shù)據(jù)交換程序、時(shí)鐘程序和顯示程序。

        1)系統(tǒng)主程序:初始化系統(tǒng),檢測(cè)U盤連接,若檢測(cè)到,判斷考勤模式,根據(jù)考勤模式執(zhí)行考勤,否則繼續(xù)檢測(cè)U盤。執(zhí)行考勤時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài),根據(jù)各狀態(tài)運(yùn)行條件執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。

        2)藍(lán)牙搜索和傳輸程序:配置USART2,3串口引腳,初始化模塊,通過(guò)內(nèi)置的AT指令完成掃描、獲取MAC及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

        3)數(shù)據(jù)交換程序:配置模擬SPI接口引腳,初始化模塊,提供連接測(cè)試、指令讀/寫、數(shù)據(jù)讀寫/發(fā)送等子程序供系統(tǒng)主程序調(diào)用。

        4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序:配置連接引腳,初始化模塊,依次儲(chǔ)存7個(gè)字節(jié)時(shí)鐘信號(hào):秒分時(shí)日月周年,待調(diào)用顯示[9];計(jì)時(shí)考勤間隔,供主程序判斷是否開(kāi)始考勤。

        5)顯示程序:配置I2C總線,檢測(cè)顯示屏,初始化模塊,提供字節(jié)讀/寫、字符串/漢字等數(shù)據(jù)顯示子函數(shù)[10]。最終顯示4行信息:終端名稱、應(yīng)到和實(shí)到人數(shù)、終端工作狀態(tài)和時(shí)間。

        3.2 手機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

        手機(jī)管理App功能設(shè)計(jì)如圖6,分為學(xué)生端、教師端和管理員端,負(fù)責(zé)考勤信息的采集與傳輸處理。

        圖6 應(yīng)用軟件功能設(shè)計(jì)

        學(xué)生端:注冊(cè)上傳姓名、藍(lán)牙MAC等信息;“查看”功能查看考勤狀態(tài),若出勤但考勤失敗可通過(guò)“申訴”功能申訴;若需變更信息,則由“修改信息”功能提交申請(qǐng),等待管理員處理。

        教師端:“創(chuàng)建課程”功能從考勤管理系統(tǒng)下載該課程考勤表;“發(fā)送考勤表”功能將考勤表發(fā)送至終端;“上傳考勤表”將考勤結(jié)果上傳至考勤管理系統(tǒng)保存;“查看”功能查看本賬號(hào)考勤結(jié)果及審核學(xué)生申訴。

        管理員端:主要負(fù)責(zé)處理學(xué)生修改信息申請(qǐng)及日常管理。

        3.3 教學(xué)考勤管理系統(tǒng)配置

        考勤系統(tǒng)需存儲(chǔ)和管理大量師生信息及考勤數(shù)據(jù),考慮到管理的自主性以及信息的安全性,故選擇建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)師生信息、考勤數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與獨(dú)立管理。

        采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),使之能夠有效地存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)[11]。工作時(shí),手機(jī)連接校園WLAN,通過(guò)配備的獨(dú)立內(nèi)網(wǎng)IP跳轉(zhuǎn)連接至管理系統(tǒng),下載和上傳師生信息和考勤數(shù)據(jù),其功能設(shè)計(jì)如圖7。

        圖7 管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

        師生信息管理:存儲(chǔ)工/學(xué)號(hào)、手機(jī)藍(lán)牙MAC等信息,方便管理人員整體掌握與查看師生信息。

        考勤信息管理:將學(xué)生信息以班級(jí)為單位列表存儲(chǔ),以待教師端App下載考勤;接收存儲(chǔ)教師端App上傳的考勤結(jié)果。

        信息變更管理:對(duì)審核通過(guò)的信息修改及學(xué)生申訴進(jìn)行對(duì)應(yīng)變更,以保證師生信息的實(shí)時(shí)性和考勤結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        4 系統(tǒng)測(cè)試

        為測(cè)試考勤系統(tǒng),特選取一工作日在三種典型教室(階梯教室、專用教室、實(shí)驗(yàn)室)中各放置一臺(tái)考勤終端。管理系統(tǒng)中考勤結(jié)果如圖8所示(以《通信原理》課程為例),結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

        圖8 考勤結(jié)果

        表1 考勤結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        在射頻實(shí)驗(yàn)室中由于射頻設(shè)備的影響,一名出勤學(xué)生出現(xiàn)考勤失敗情況,在App申訴并經(jīng)當(dāng)堂教師App審核,管理系統(tǒng)及時(shí)修改了其考勤結(jié)果。測(cè)試表明考勤終端、手機(jī)管理App及教學(xué)考勤管理系統(tǒng)均能準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng),藍(lán)牙考勤終端掃描獲取學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC完成考勤,考勤結(jié)果由手機(jī)連接校園WLAN,使用App上傳至管理系統(tǒng)保存。實(shí)際課堂測(cè)試結(jié)果表明,該考勤系統(tǒng)具有良好的可行性和可靠性,不僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能,滿足實(shí)際使用要求,且與現(xiàn)有考勤系統(tǒng)相比,具有考勤模式靈活、傳輸方式多樣、移動(dòng)便攜性強(qiáng)、功耗成本低等特點(diǎn)。

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