廖紅梅

摘要：為提高實驗室管理效率，科學管理實驗設備，快速方便地完成考勤工作，設計了一種基于校園卡的實驗室智能考勤與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由智能終端和上位機管理系統(tǒng)軟件兩部分組成。智能終端以ATmega16為核心，具有RFID讀寫、LCD顯示、Zigbee無線通訊等功能模塊，與上位機采用Zigbee無線通訊方式完成各種數(shù)據(jù)傳輸。管理系統(tǒng)軟件可以完成通訊參數(shù)設置、各項數(shù)據(jù)的存儲、查詢及報表打印等功能。系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，能夠很好地滿足現(xiàn)代實驗室管理的要求。

關鍵詞：校園卡；考勤；RFID；Zigbee；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP393.18

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.018

0 引言

隨著計算機應用的普及，數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化的實驗室管理手段逐漸得到推廣和應用，國內(nèi)的高等院校也普遍建設了開放型實驗室，學生可以通過網(wǎng)絡等方式進行實驗預約，在一定程度上對實驗室管理實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡化，提高了實驗室的管理效率。但是仍要看到實驗室的管理方面還有很多不足，如實驗的具體開出時間、參與實驗的指導教師和學生姓名人數(shù)、實驗裝置的使用情況等仍需人工進行記錄統(tǒng)計，工作繁瑣、方法落后，因此結合實驗室的實際應用需求，研究設計了基于校園卡的實驗室智能考勤與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用已在大學校園里普遍使用校園卡（一卡通）完成實驗考勤、實驗開出時間、設備利用情況、指導教師姓名等信息的自動記錄保存，方便進行相關信息的統(tǒng)計查詢，提升了實驗室管理水平，促進了高校實驗管理的規(guī)范化、科學化、現(xiàn)代化。

1 實驗室智能考勤與管理系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)由智能終端（下位機）和智能管理軟件（上位機）兩部分構成，如圖1所示。在每個實驗臺位安裝一臺智能終端，實驗學生在開始實驗和完成實驗時在智能終端上刷校園卡，智能終端自動將實驗學生卡號（學號）、姓名、開始時間、完成時間、實驗臺號、實驗設備狀態(tài)等各項數(shù)據(jù)，通過Zigbee無線通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機的管理系統(tǒng)軟件完成各項數(shù)據(jù)的自動接收、記錄、存儲，以及進行有關數(shù)據(jù)查詢、生成打印報表等工作。

1.2 智能終端

如圖2所示，智能終端硬件結構由MCU及存儲器部分、RFID讀寫部分、Zigbee無線通訊部分、人機接口部分及數(shù)據(jù)采樣部分等組成。

由于智能終端所需處理的數(shù)據(jù)量不大，對數(shù)據(jù)的實時性、數(shù)據(jù)處理速度等要求不高，因而MCU微處理器采用基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器ATmega16。

RFID讀寫功能采用MF RC500S032實現(xiàn)。MF RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持IS014443A所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線（可達lOOmm），接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應答器信號。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗證MIFARE系列產(chǎn)品。采用并行接口可與8位微處理器方便的直接連接，為讀卡器終端的設計應用提供了很好的便利性。

學生憑校園卡在讀卡器上刷卡，讀卡器可以讀取校園卡內(nèi)學生的基本數(shù)據(jù)，如學號、姓名、所在院系、專業(yè)、班級等，對收費性場所如計算機機房、圖書館電子閱覽室等可以讀取卡內(nèi)存儲金額，并根據(jù)使用時間自動完成扣費的讀寫操作。

智能終端將獲取的學生數(shù)據(jù)和與實驗相關數(shù)據(jù)（如設備編號、開始實驗時間、完成實驗時間、設備運行參數(shù)等）與上位機采用Zigbee無線通訊模式進行數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee是一種目前廣泛應用的無線連接技術，具有低成本、低功耗、低復雜度的特點，適合低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網(wǎng)應用的通訊模式。Zigbee標準基于802.15.4協(xié)議棧建立，具有強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結構、網(wǎng)狀結構和簇狀結構，特別是網(wǎng)狀結構，采用多跳式路由通信，網(wǎng)絡容量大，可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠比較分散的結構。Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡的所有實體只要在通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信。如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信，該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡。利用Zigbee自組網(wǎng)特性可以實現(xiàn)在整個實驗空間的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，滿足組建無線數(shù)據(jù)通道要求。

智能終端的Zigbee無線通訊模塊采用基于FREESCALE半導體的MC13213產(chǎn)品。MC13213是第二代標準Zigbee無線通信平臺，集成了低功耗的2.4GHz RF收發(fā)器、8位微控制器和60kB的閃存，MC1321x解決方案能在簡單的點對點連接到完整的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡中用作無線連接。MC1321x中的RF收發(fā)器和802.15.4標準兼容，包括了低噪音放大器、ImW的RF輸出功率、帶VCO的功率放大器（PA）、集成的發(fā)送/接收開關、板內(nèi)電源穩(wěn)壓器，以及全擴展頻譜的編碼和譯碼。MC1321x中的微控制器是基于HCS08系列微控制器單元，具備高達60kB的閃存和4kB的RAM。

數(shù)據(jù)采樣部分可以根據(jù)實際使用場所需要設置，用以對實驗裝置的各項工作狀態(tài)參數(shù)，如工作電壓、電流、溫度、故障信息等各種參數(shù)進行測量監(jiān)視。

2 智能管理軟件設計

智能管理系統(tǒng)軟件部分的基本功能設置如圖3所示。

智能管理系統(tǒng)軟件利用Visual Basic 6.0編程實現(xiàn)，軟件的后臺數(shù)據(jù)庫選用Access數(shù)據(jù)庫。VisualBasic是微軟公司開發(fā)的編程設計軟件，也是基于Windows操作系統(tǒng)的可視化編程環(huán)境，可以在較短時間內(nèi)開發(fā)出專業(yè)的管理系統(tǒng)軟件。實驗室智能考勤與管理系統(tǒng)軟件各部分功能設置及實現(xiàn)方式介紹如下：endprint

（1）系統(tǒng)登錄管理模塊。智能管理系統(tǒng)的登錄由實驗指導教師在每次實驗時憑個人登錄號和密碼登錄，登錄后進入實驗項目選擇，之后系統(tǒng)自動將指導教師的工號、姓名、實驗日期、時間起止、實驗項目等數(shù)據(jù)保存在“教師指導情況數(shù)據(jù)表”內(nèi)，便于學期末進行統(tǒng)計管理。

（2）通訊參數(shù)、模式設置模塊。該模塊用于設置上位機管理系統(tǒng)軟件與下位機的通訊協(xié)議各項參數(shù)，實現(xiàn)對下位機數(shù)據(jù)的自動接收、終端顯示及完成數(shù)據(jù)存儲工作。通訊模塊程序?qū)崿F(xiàn)是利用Visual Basic6.0的MSCOMM控件編程實現(xiàn)。MSCOMM控件通過串行端口傳輸和接收收據(jù)，為應用程序提供串行通信功能。通過設置該控件的屬性、方法，設置串口通訊參數(shù)，如串口號、通訊波特率、校驗位、停止位等，實現(xiàn)上下位機的通信。圖4所示為設計狀態(tài)下的通訊窗口，運行時，利用窗口的text框控件可以實時顯示各智能終端的上傳數(shù)據(jù)，用以判斷通訊是否正確。

（3）學生實驗情況數(shù)據(jù)表。學生實驗數(shù)據(jù)表用于記錄實驗學生的相關信息，包括學號（卡號）、姓名、院系、專業(yè)、班級、實驗裝置編號、實驗日期、實驗起止時間、實驗項目以及收費情況等數(shù)據(jù)。

（4）實驗室設備數(shù)據(jù)表。實驗室設備數(shù)據(jù)表用于記錄保存實驗設備的有關信息，包括設備編號、型號、生產(chǎn)廠家、購買日期、性能情況、各次維修記錄等各項數(shù)據(jù)。

（5）教師指導情況數(shù)據(jù)表。教師指導情況數(shù)據(jù)表用于記錄教師的實驗指導記錄，包括教師工號、姓名、指導日期、實驗起止時間、指導實驗項目名稱、規(guī)定學時、實驗情況記錄備注等數(shù)據(jù)。

（6）查詢及統(tǒng)計報表生成模塊。該模塊功能提供各種實驗相關的信息查詢和報表打印功能，可以根據(jù)實驗時間、學生姓名或?qū)W號、學生班級、教師姓名或工號、設備編號等提供查詢信息及生成各類報表。

（7）數(shù)據(jù)安全與維護模塊。為確保數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)軟件設計了自動備份、手動備份、手動恢復以及壓縮數(shù)據(jù)庫功能。數(shù)據(jù)備份設計了自動備份和手動備份功能。自動備份是在系統(tǒng)運行時，每隔一定時間自動將相關的數(shù)據(jù)文件保存到指定路徑下，間隔時間和保存路徑由工作人員提前設定（默認為1天備份1次）。手動備份是由工作人員手動操作，將數(shù)據(jù)庫文件拷貝到其它的存儲設備上，如移動硬盤或U盤等設備。

3 結論

實驗室智能考勤與管理系統(tǒng)充分利用了校園師生人手一卡的基礎條件，以Zigbee無線通訊方式實現(xiàn)智能終端與管理系統(tǒng)上位機的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)能夠方便地實現(xiàn)查詢及打印學生實驗考勤功能、教師指導實驗統(tǒng)計功能及設備使用歷史記錄功能等，實現(xiàn)了實驗室管理的自動化、數(shù)字化、規(guī)范化、網(wǎng)絡化，實現(xiàn)了無紙化實驗辦公。系統(tǒng)測試結果顯示其具有良好的穩(wěn)定性，能夠很好地滿足現(xiàn)代實驗室管理的要求。該系統(tǒng)硬件裝置和軟件還可以根據(jù)需要用于機房管理、大型重要實驗設備管理及上課考勤等場所。endprint