基于RFID技术的考勤系统设计

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基于RFID技术的考勤系统设计
摘要
本课题的目标是开发一个企业对员工的出勤情况进行记录和管理的考勤系统。

课题主要设计了一款低成本高性能的RFID卡片读写器。

根据软件开发理论、信息系统开发理论、项目管理理论等进行分析、指导并设计出基于RFID卡的身份识别考勤系统。

RFID卡片读写器在电路设计上需要出实现低成本高性能，而考勤系统则突出了方便简洁的管理功能。

整个RFID考勤系统主要包括三个子系统（或模块）：RFID卡片读写器、无线/串行通信模块、身份识别考勤系统。

读写器解码并将卡片的身份信息通过串口/无线通信模块发送给PC机的身份识别考勤系统进行考勤记录与管理，实现了从RFID卡片读取、数据传输、考勤记录与统计等一系列功能的完整系统实现方案，改进了现有的考勤方式，提高了考勤效率。

系统硬件部分的工作包括：RFID卡片读写器的单片机控制电路设计、读写器的RFID调制解调射频前端电路设计、NRF24L01无线通信模块设计、PL2303的USB-UART串行通信模块设计。

系统软件部分的工作包括：系统的上位机采用客户端/服务器模式，后台数据库使用SQL Server数据库管理软件，基于Visual C++的数据库SQL语言操作、USB-UART串行通信与数据流处理、LZW数据压缩与解压缩等。

结果表明该系统能够实现基本的考勤功能，具有较高的安全可靠性。

关键词：射频身份识别考勤上位机无线串行通信
第一章引言
在高校管理中，学生是学校里最大群体，其管理十分复杂。

由于每门课的出勤情况直接影响学生在某门课结束后，能否参加这门课的考试。

所以，学生的出勤率直接和学生顺利完成学业有着密切相关的联系。

由于高校上课还存在着一位教师上多个班级，或者一位教师上大课等特点，用传统的点名考勤的方法，不仅会占用大量的上课时间，而且也不能真实的反映学生的到课情况，导致学生出勤情况的报告与统计工作难度极大。

虽然每个的任课老师都参与考勤信息的收集，但考勤信息的汇总和统计仍很繁琐。

本文主要针对当前学生考勤管理工作中存在的一些不足，设计一个基于RFID技术的考勤管理系统，提供一个包括信息采集、考勤统计和查询、考勤分析三大功能的管理平台，为教师和教学管理部门提供实时、动态的考勤信息，从而达到提高管理效率的目的。

第二章RFID技术及其应用介绍
2.1 RFID技术概述
RFID （Radio Frequency Identification）是一种近年来兴起的、广泛应用于人流和物流管理方面的新技术。

该技术集编码、载体、非接触自动识别与通信等多种技术于一体，通过射频信号自动识别高速运动对象．并能同时识别多个标签，获取相关数据。

主要应用目标是实现信息系统的自动化信息采集，保证被识别对象的信息化管理。

RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveT ag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveT ag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息
系统行有关数据处。

一套完整的RFID系统，是由读写器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份组成, 其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动T ransponder 电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

2.2 RFID技术主要应用
总的来说，RFID技术的主要应用包括：物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费、城市一卡通的应用、高校手机一卡通的应用、仓储中塑料托盘、周转筐中的应用等。

第三章考勤系统硬件电路设计
3.1 系统综述
整个RFID考勤系统主要包括三个子系统（或模块）：RFID卡片读写器（工作于主机模式）、RFID卡片读写器（工作于从机模式）、考勤系统PC端，其中主要的模块为无线/串口通信模块。

RFID读写器由它们的关系如图1所示。

图1 系统的整体框图
3.2 RFID卡片读写器设计
RFID卡片读写器作为考勤系统的终端，主要负责接收、解析上位机送来的数据包，并控制无线/串行通信模块的工作，以及实时获取RFID卡片的信息并反馈给计算机考勤系统。

单片机相对于计算机来说更低级，因此也形象地把单片机及其外围电路组成的RFID卡片读写器统称为下位机系统，对应地把运行在计算机上的考勤系统称为上位机系统。

3.3 RFID 调制与解调前端电路设计
本设计选用的是EM4100系列的低频RFID卡片，RFID读写器（Transceiver）和RFID卡片（Transponder）的结构示意图如图2所示。

图2 RFID 读写器和卡片的结构示意图
125kHz的低频RFID卡片通信，需要125kHz的载波信号来驱动RFID天线，这里正好使用单片机Atmega8内部的PWM模块，通过程序设置模块参数，使其输出125kHz占空比为50%的方波信号。

由于单片机输出的PWM方波信号驱动能力有限，因此使用配对的小功率晶体管8550和8050组成的推挽功放电路对载波的功率进行放大。

放大后的载波信号加载到RFID天线上，RFID天线实际上是一个由多匝细铜丝绕成的电感线圈和一个电容器组成的LC谐振器。

当RFID卡片进入感应区时，卡片会重复地发送自己的ID信息，这时就有信号耦合到RFID天线上，经过二极管D2（1N4148）检波后得到调制信号的包络。

这个包络就包含了卡片ID的曼切斯特编码信息。

通过运放LM358对包络信号进行放大，再经施密特触发器对波形进行整形，便得到了标准的曼切斯特编码信号。

这时候就可以把这个信号送给单片机进行解码了。

3.4 无线/串行通信模块设计
3.4.1 NRF24L01 无线通信模块
由于RFID卡片读写器需要脱机使用的功能，其与上位机的数据交换还需要采取无线通信的方式。

为了方便起见，选择nRF24L01无线通信芯片。

NRF24L01是Nordic公司生产的一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

3.4.2 USB-UART 串行通信模块
单片机等数字电路在进行串行通信时一般使用的是TTL电平，而计算机的串口则是使用的RS-232电平，虽然两者的可以通过MAX232芯片进行相应的电平转换，但毕竟RS-232通信接口数据低速接口，目前的计算机已经基本上淘汰了该接口，USB接口则非常普遍，因此使用USB-UART转换芯片PL2303实现两者的通信。

使用PL2303将USB扩展为UART通信接口需要给计算机安装相应的USB驱动程序。

驱动程序安装后，计算机就会把PL2303识别成一个通信接口，通过计算机的设备管理器可以查看。

所有电路使用Altium Designer设计，整个RFID读写器（下位机系统）绘制好的PCB版图如图3所示：
图3 RFID 读写器PCB 顶层视图
第四章考勤系统软件设计
4.1系统结构
系统使用Visual C++编写，涉及到窗口创建、数据库管理、串行通信等操作。

系统的主要结构包括：
1）启动时输入用户名及密码，自动识别用户身份（管理员/普通用户），登陆后自动切换到相应模式（管理模式/普通模式）；
2）系统主界面菜单栏包括以下项目：
“文件”：导出用户数据，打印用户数据，退出系统；
“查看”：查看库存用户数据列表（编号、用户名、考勤情况等）、具体调出查看指定用户的详细数据；
“管理”：（限管理模式）：身份信息关联、终端设备（检测、添加、删除、修改设备参数）、权限管理（添加、删除、修改管理员用户名和密码）；
“帮助”：打开说明文件；
“关于”：显示软件名称、开发人员/单位/时间、权限声明；
3）系统主界面操作区包括以下项目：
用户数据：查看数据库内所有用户的统计数据；
用户考勤：对用户交费情况进行记录和操作；
用户查询：按指定条件查询某用户；
用户操作：进行用户的添加、删除、修改和详细信息查看；
终端相关：选中用户后对其设备进行访问或修改，更新用户考勤数据；
用户数据显示区：综合显示查询得到的用户数据。

4.2 系统主界面
根据前面章节的需求分析和结构规划，设计的系统主界面如图4所示。

系统的主界面提供了用户查询、用户操作、终端相关的三大类快捷工具栏，这样能更好地方便用户进行相应管理操作。

同时顶部的菜单栏采用下拉方式给用户提供所有相同的功能。

图4 系统主界面截图
4.3 系统的数据库设计
4.3.1 数据库的建立
上位机需要管理各下位机终端的ID，为其进行统一编址；收集各RFID卡片读写器终端的地址、设备类型等数据，并将各个数据进行存档、统计，以供管理员操作。

数据库使用Microsoft Acess建立，数据库中新建了两个表单，一个是用于存储被考勤的用户信息的“用户数据表”，另一个是用于存储软件用户账户信息的“软件账户数据表”。

用户数据表包括以下字段：自动编号、RFID编号、用户姓名、学号、寝室号。

联系电话、缺勤次数、出勤率、入网时间。

各项字段的数据类型如图5所示。

图5 用户数据库的字段及其数据类型
4.3.2 数据库的访问
因为Visual C++和ACCESS都是Microsoft公司基于Windows开发的，两者能够通过控件轻松实现无缝对接。

ACCESS提供SQL语言访问数据库，例如最常用的SELECT语句。

而在Visual C++中，也提供数据库访问控件，通过控件，就可以使用SQL语言对数据库进行访问，只不过操作语句是以字符串参数的形式传递给函数罢了。

4.3.3 数据库的压缩
上位机系统采集到的数据虽然使用了数据库进行组织和管理，但是没有解决数据量大，占用大量存储空间的问题，因此有必要引入数据压缩算法对这些结构化的数据进行有效的压缩从而节约存储空间。

这里主要采用LZW算法。

LZW算法的主要思想是在将要压缩的文本中，自动地建立一个先前已经见过的字符串的字典。

这些字典并不需要与这些压缩的文本一起被传输，因为只要压缩时能够正确地编码，解压时也能够依照压缩时一样
的方法恢复重建出相同的字典，它将会有与压缩时字典在文本的同一点有同样的字符串。

4.4系统PC端软件流程图
考勤系统PC端的程序流程图如图6所示，软件启动后，用户需输入用户名和密码才能够登陆，登陆胡系统首先初始化通信参数，随后连接无线/串行通信模块，如果连接成功则进入程序的主循环；如果连接失败则提示用户。

程序的主循环会随时根据用户的操作进行相应的事件响应，例如查询用户、连接设备、打印报表等。

如果用户的操作涉及到域RFID卡片读写器通信，则上位机通过无线/串行通信模块向RFID卡片读写器发送相应的命令包，在收到RFID卡片读写器响应后进行相应的数据处理，包括数据压缩后存入数据库。

图6 系统PC端软件的流程图
第五章结束语
本课题的目标是开发一个企业对员工的出勤情况进行记录和管理的考勤系统。

RFID卡片读写器在电路设计上需要突出实现低成本高性能，而考勤系统则突出了方便简洁的管理功能。

本课题根据设计的实际需要选择一种合理的RFID卡片。

设计低成本高性能的RFID卡片读写器。

根据软件开发等理论进行分析、指导并设计出基于125kHz 低频RFID卡的身份识别考勤系统。

就技术而言，在未来几年，RFID技术将继续保持高速发展的势头。

电子标签、读写器、系统集成软件、公共服务体系等方面都将取得新的进展。

随着关键技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也将
越来越广泛。