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

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基于RFID和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級考勤管理系統(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】針對考勤管理移動性差、數(shù)據(jù)難以共享、過于依賴網(wǎng)絡(luò)和后臺計算機等缺陷，設(shè)計一種基于射頻識別技術(shù)(RFID)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級管理考勤系統(tǒng)。【方法】基于MFRC500與STC89C52設(shè)計被動非接觸式RFID考勤讀卡子系統(tǒng)；采用CC2530設(shè)計ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)；基于Linux/QT完成ARM主控平臺開發(fā)?！窘Y(jié)果】系統(tǒng)實現(xiàn)多RFID讀卡子系統(tǒng)的自組網(wǎng)、子節(jié)點與主控平臺的分級管理?！窘Y(jié)論】測試表明，該系統(tǒng)部署靈活，能適應(yīng)復(fù)雜的樓宇環(huán)境，且性價比較高，具有一定推廣價值。

RFID ZigBee 考勤管理

0 引言

【研究意義】考勤是各種機構(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律。傳統(tǒng)的考勤管理還停留在紙質(zhì)簽到，效率低、實時性差，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展】引入計算機技術(shù)的考勤管理方式主要有人臉識別[1-2]，指紋識別[3-4]，射頻識別[5-6]等。人臉識別和指紋識別可靠性強，不易仿冒，但硬件成本高。射頻識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：一類是單機型，可以獨立完成考勤過程，應(yīng)用廣泛，但還有一些缺點——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，移動性差；另一方面，當員工的分布較為分散時，單機系統(tǒng)對大量的人員考勤工作來說使用不便利。而且單機型的考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以共享，管理層次簡單。另一類是聯(lián)機型，使用時需要后臺計算機的配合，數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)及時上傳，但當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或后臺計算機運行故障時，容易導(dǎo)致考勤工作癱瘓等問題[7-8]?！颈狙芯壳腥朦c】考慮引進新的計算機技術(shù)，彌補上述考勤管理系統(tǒng)的缺陷?！緮M解決的關(guān)鍵問題】結(jié)合射頻識別技術(shù)RFID、ZigBee技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計一套基于RFID和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通用分級管理考勤系統(tǒng)。非接觸式RFID考勤讀卡子系統(tǒng)不僅獨立完成子區(qū)間內(nèi)的考勤數(shù)據(jù)采集，還能通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(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主控平臺的開發(fā)，實現(xiàn)了子節(jié)點與主控平臺的分級管理，并預(yù)留了Web后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

考勤管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1，主要分為考勤終端，網(wǎng)絡(luò)傳輸，ARM主控平臺3個部分?？记诮K端采用 RFID[9]，完成單點的考勤工作，并將讀取到的標簽信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳?？紤]到系統(tǒng)部署的繁瑣問題及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成本[10]，網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用ZigBee無線傳感網(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，通過串口將其發(fā)送給ARM主控平臺。主控平臺集中處理數(shù)據(jù)后，存儲到本地的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)考勤的分級管理。管理員可通過ARM平臺上的QT界面管理考勤信息，或通過Web的方式管理。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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下所有類型的被動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標準并且要求低成本、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選擇價格低廉、運行穩(wěn)定、能滿足讀卡器設(shè)計需求的STC89C52。MCU通過控制MFRC500以實現(xiàn)對電子標簽(Mifare卡)的讀寫，將相應(yīng)的指令寫入MFRC500相應(yīng)的寄存器中來實現(xiàn)控制。由于系統(tǒng)采用被動式標簽，標簽沒有內(nèi)部電源，所以讀寫器的MCU不能直接對標簽進行讀寫操作，需要通過射頻讀卡芯片發(fā)射射頻載波信號，給標簽提供能量，激活標簽，通過后續(xù)的認證后，MCU方能訪問標簽。

2.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊由ZigBee節(jié)點模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊組成。通信模塊的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。ZigBee節(jié)點和協(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)點負責(zé)上傳RFID讀寫器中的電子標簽信息以及接受從協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令。協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)傳輸，為子節(jié)點分配地址，建立綁定表。協(xié)調(diào)器將子節(jié)點發(fā)來的信息實時傳輸?shù)紸RM平臺，當收到上位機下發(fā)的命令時進行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 考勤終端主程序

考勤終端的主程序設(shè)計平臺采用KeiluVersion 5，C語言編程，主程序流程如圖3所示。當卡片進入到讀取范圍時，讀取Mifare卡的信息。讀卡操作步驟包含請求、反碰撞、選擇、認證、讀塊。當確認卡片為有效Mifare射頻卡時，會得到卡片的序列號，通過認證后，可以從卡中讀出其EEPROM的值，每次僅讀出一個塊的數(shù)據(jù)，即16個字節(jié)，每次讀到電子標簽后，即把數(shù)據(jù)打包，由ZigBee模塊上傳讀到的電子標簽信息。

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)議棧上開發(fā)。ZSTACK采用OSAL操作系統(tǒng)，其應(yīng)用程序的運行機制通過事件來驅(qū)動，運行機制圖4所示。事件是驅(qū)動任務(wù)去執(zhí)行某些操作的條件，當系統(tǒng)產(chǎn)生了一個事件，將這個傳遞給相應(yīng)的任務(wù)后，任務(wù)才能執(zhí)行一個相應(yīng)的操作。

圖4 OSAL運行機制

ZigBee節(jié)點程序初始化后，開始搜尋網(wǎng)絡(luò)。搜到網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點會加入網(wǎng)絡(luò)，并在成功入網(wǎng)分配ID后，開始數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。ZigBee節(jié)點會周期性的檢測是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，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個字節(jié)組成，依次包含協(xié)議號(4個)、設(shè)備號(6個)、卡號(2個)、考勤時間(3個)、校驗碼(1個)。

ZigBee協(xié)調(diào)器程序初始化后，開始組建網(wǎng)絡(luò)，建立路由表。當協(xié)調(diào)器收到信息時，會依據(jù)不同的類型進行相應(yīng)的操作：若該消息是子節(jié)點的入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器會分配ID給子節(jié)點。若是子節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)給上位機。若是協(xié)調(diào)器接收到從上位機下發(fā)的命令，即進行下一級轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 ARM主控平臺軟件設(shè)計

主控平臺的軟件基于Linux/QT開發(fā)。在ARM平臺上移植Linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開源足，系統(tǒng)運行資源少，效率高等優(yōu)點。QT能實現(xiàn)跨平臺編程，移植性好，給開發(fā)者提供了強大的圖形界面開發(fā)所需的功能。QT應(yīng)用程序接收ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后存到本地數(shù)據(jù)庫中，管理員可在QT界面上查看，實現(xiàn)考勤的分級管理。采用Sqlite 3建立考勤數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)考勤紀律表，用戶表，設(shè)置表?？记诩o律表包含用戶ID、考勤時間、上班時間、考勤情況，用戶表包含用戶ID、姓名、類型、部門，設(shè)置表包含ID和規(guī)定的上班時間。

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

4 系統(tǒng)測試

考勤系統(tǒng)測試分為3部分。第1部分測試電子標簽的讀寫距離，實測100次，最大讀寫距離達到6 cm。第2部分測試ZigBee模塊傳輸距離，如表1所示?？梢钥闯鲇姓系K測試(室內(nèi)樓宇環(huán)境)中，75 m范圍內(nèi)信號傳輸正常，當傳輸距離增加到100 m時，信號不穩(wěn)定。無障礙測試(室外空曠環(huán)境)中，當傳輸距離超過275 m，信號不穩(wěn)定，距離更大時接收不到信號。第3部分測試系統(tǒng)故障率。對系統(tǒng)進行密集刷卡測試(連續(xù)每隔5 s刷1次卡，持續(xù)100次)，數(shù)據(jù)上傳、QT界面運行、Web的訪問正常。系統(tǒng)運行30 d，運作良好，數(shù)據(jù)上傳率為94%。

表1 ZigBee模塊傳輸距離測試

5 結(jié)論

通過RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)，設(shè)計并實現(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)單機的考勤管理。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使系統(tǒng)部署簡單，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享?；贚inux/QT完成ARM主控平臺開發(fā)，實現(xiàn)了考勤信息的分級管理。測試表明，系統(tǒng)能夠?qū)﹄娮訕撕炦h程識別，能在樓宇環(huán)境中工作，且整體運行良好。在后續(xù)工作中，有必要進一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，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。

*國家自然科學(xué)基金項目(61074046/F030107)，中央高校探索創(chuàng)新項目(CCNU15A02060)和廣東省順德區(qū)產(chǎn)學(xué)研項目(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