員玉良，徐鵬飛，楊麗麗

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109）

學(xué)生人身安全不僅事關(guān)一個(gè)家庭的和睦與幸福，同時(shí)也關(guān)系著學(xué)校和社會(huì)環(huán)境的和諧與穩(wěn)定。現(xiàn)實(shí)中有許多問(wèn)題困擾著家長(zhǎng)和學(xué)校。如：孩子每天是否按時(shí)到校？過(guò)了放學(xué)時(shí)間孩子還沒(méi)回來(lái)，是否已經(jīng)離校？天氣惡劣，卻不知學(xué)校是否提前放學(xué)或停課？學(xué)生根本沒(méi)有到校或者已經(jīng)離校，在校外發(fā)生了意外，學(xué)校責(zé)任如何明確等。然而由于目前師資力量有限，而相關(guān)技術(shù)手段相對(duì)落后，對(duì)學(xué)生的管理多數(shù)還停留在手工管理和計(jì)算機(jī)輔助管理的初級(jí)階段，信息反饋不及時(shí)，尤其是當(dāng)發(fā)生學(xué)生逃課和出走等情況時(shí)，家長(zhǎng)與學(xué)校之間由于溝通配合不夠，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致意外發(fā)生，以致責(zé)任不明，甚至家長(zhǎng)和學(xué)校對(duì)簿公堂，嚴(yán)重影響到了家庭幸福、學(xué)校以及社會(huì)的和諧穩(wěn)定[1-2]。

通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)校與家長(zhǎng)之間缺少必要、及時(shí)的溝通是導(dǎo)致悲劇發(fā)生的重要原因。盡管當(dāng)前存在學(xué)生刷卡考勤系統(tǒng)，但多為基于近距離的無(wú)源RFID技術(shù)，需要學(xué)生近距離刷卡，一旦在上下學(xué)時(shí)段極易造成人員擁堵，而且需要學(xué)生主動(dòng)配合刷卡，考勤效率較低[3]。因此，本文設(shè)計(jì)了基于遠(yuǎn)距離有源RFID技術(shù)的學(xué)生平安短信服務(wù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)距離RFID學(xué)生平安短信服務(wù)系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括有源RFID卡、射頻讀卡器、手機(jī)以及監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System structure diagram

當(dāng)學(xué)生攜帶學(xué)生卡進(jìn)入讀卡區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)遠(yuǎn)距離讀取學(xué)生卡所攜帶的信息，并對(duì)學(xué)生的到離校情況進(jìn)行相應(yīng)的判斷，然后記錄相應(yīng)的時(shí)間，并以短信的形式將學(xué)生的到離校時(shí)間通知家長(zhǎng)，也可將這些考勤信息上傳監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

有源卡由學(xué)生佩戴，其內(nèi)部存有代表學(xué)生身份的唯一ID號(hào)；讀卡器采用高性能32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器的STM32系列單片機(jī)作為CPU，讀卡速度可達(dá)1000簽/s，讀卡距離可自行調(diào)節(jié)，最遠(yuǎn)達(dá)80 m。它內(nèi)部集成有FLASH芯片和時(shí)鐘芯片，F(xiàn)LASH芯片用于儲(chǔ)存學(xué)生卡及其對(duì)應(yīng)的家長(zhǎng)手機(jī)號(hào)，時(shí)鐘芯片主要記錄讀卡時(shí)間。本系統(tǒng)讀卡器共有2個(gè)，分別安裝于校門(mén)內(nèi)和校門(mén)外，二者協(xié)調(diào)配合判斷學(xué)生入學(xué)還是離校；手機(jī)分為2類，一類是中心手機(jī)，考慮到本設(shè)計(jì)只需發(fā)送短信息功能，所以本設(shè)計(jì)采用基于GSM的SIM300手機(jī)模塊[4]，它與讀卡器一一相連，完成短信發(fā)送，而另一類是學(xué)生家長(zhǎng)用的普通手機(jī)，除了正常使用外，可用于接收中心手機(jī)發(fā)送來(lái)的學(xué)生平安短信；監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)位于學(xué)校內(nèi)，它主要完成考勤信息的集中、備份以及查詢等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離RFID學(xué)生平安短信服務(wù)系統(tǒng)硬件主要包括多張有源RFID卡、讀卡器和各種通信接口設(shè)計(jì)。讀卡器模塊包括ARM芯片STM32F103RB、FLASH芯片AT45DB161D[5]和時(shí)鐘芯片DS1302等。其中，AT45DB161D與STM32F103RB通過(guò)SPI總線接口相連，而DS1302等為單總線系列芯片。通信接口的設(shè)計(jì)主要指有線通信接口和無(wú)線通信接口兩部分。2個(gè)讀卡器控制核心STM32F103RB與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)、以及它們之間均由RS-485完成數(shù)據(jù)通信。STM32F103RB通過(guò)RS-232串行接口控制GSM手機(jī)模塊SIM300發(fā)送短信。STM32F103RB通過(guò)2.4 GHz的高頻通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有源RFID卡的信息讀取，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接Fig.2 System hardware connection

首先將2個(gè)讀卡器及其對(duì)應(yīng)的GSM手機(jī)模塊SIM300安裝于校門(mén)口內(nèi)外2處位置，安裝時(shí)應(yīng)盡量避免讀卡半徑重合。每個(gè)學(xué)生胸前或書(shū)包上均鑲嵌有一張遠(yuǎn)距離有源RFID卡，當(dāng)學(xué)生到達(dá)校門(mén)時(shí)，附近的讀卡器立即讀取有源卡發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào)，并根據(jù)讀到的卡號(hào)掃描FLASH芯片AT45DB161D，找出與之對(duì)應(yīng)的手機(jī)號(hào)，同時(shí)記錄讀卡時(shí)間，然后2個(gè)讀卡器通過(guò)RS-485總線協(xié)調(diào)判斷2個(gè)讀卡器的讀卡順序，從而確定入校還是離校。最后2個(gè)讀卡器共同決策，由其中一個(gè)讀卡器向GSM手機(jī)模塊SIM300發(fā)送AT命令，完成平安短信發(fā)送。校門(mén)外和校門(mén)內(nèi)讀卡器分別完成入校和離校短信發(fā)送。具體短信樣式為“***提醒您，您的孩子***已于20**年**月**日**時(shí)**分安全到達(dá)學(xué)?！焙汀?**提醒您，您的孩子***已于20**年**月**日**時(shí)**分離開(kāi)學(xué)?！?。

考勤信息也可由2個(gè)讀卡器直接通過(guò)RS-485傳輸給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)存檔、分析以及查詢等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)軟件程序和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理軟件程序兩部分組成。本文著重介紹下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)主要完成系統(tǒng)初始化、射頻卡信息采集、時(shí)鐘信息讀取、FLASH讀寫(xiě)、手機(jī)模塊短信發(fā)送、讀卡器間的數(shù)據(jù)通信以及讀卡器與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。其中?個(gè)讀卡器之間的通信不僅可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生出、入校判斷，而且還可以有效防止單一讀卡器產(chǎn)生的漏讀現(xiàn)象。因此，讀卡器發(fā)出短信的情況主要有2種：①2個(gè)讀卡器都能讀到卡信息；②只有1個(gè)讀卡器讀到卡信息。

若記校門(mén)外讀卡器讀卡效果為F（A），則F（A）=1表示讀到卡信息，F(xiàn)（A）=0表示漏讀卡信息；記校門(mén)內(nèi)讀卡器讀卡效果為 F（B），則 F（B）=1表示讀到卡信息，F(xiàn)（B）=0表示漏讀卡信息。記Y為考勤效果，則Y（A）為第①種情況考勤效果，Y（B）為第②種情況的考勤效果。則：

顯然，只有 F（A）與 F（B）均為 1 時(shí)，Y（A）=1，此時(shí)，可以通過(guò)判斷 F（A）與 F（B）變?yōu)?1的先后順序判斷學(xué)生入校還是出校；而對(duì)第（2）種情況，只要 F（A）與 F（B）有一個(gè)為 1，則 Y（B）=1。若Y（A）或 Y（B）為1則Y=1，代表考勤成功。但當(dāng)Y（A）=0且Y（B）=1時(shí)，表示只有1個(gè)讀卡器讀卡成功，此時(shí)將不會(huì)馬上發(fā)送短信，而是先將相應(yīng)標(biāo)志位存儲(chǔ)起來(lái)，在某一個(gè)特定的時(shí)間（如8：30和17：30）系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)一對(duì)FLASH進(jìn)行掃描。然后根據(jù)標(biāo)志位的狀況，發(fā)出相應(yīng)的短信。具體系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在不影響學(xué)校正常教學(xué)秩序的情況下，試驗(yàn)于2015年4月6日～25日在山東省青島市城陽(yáng)區(qū)某學(xué)校進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為2個(gè)教學(xué)班70名學(xué)生。試驗(yàn)結(jié)果表明，考勤按時(shí)出校入校成功率達(dá)到92.35%，通過(guò)定時(shí)掃描補(bǔ)發(fā)考勤成功率7.65%。二者綜合達(dá)到100%，說(shuō)明系統(tǒng)可靠，無(wú)漏讀卡和漏發(fā)短信息現(xiàn)象，滿足實(shí)際需要。特別需要說(shuō)明的是，讀卡器之一出現(xiàn)漏讀情況主要發(fā)生在上、下學(xué)個(gè)別時(shí)段，這期間學(xué)生出入學(xué)校人數(shù)較為集中，多張卡同時(shí)出現(xiàn)在讀卡區(qū)域，造成了讀卡信息在一定程度上的擁堵。通過(guò)采用2個(gè)讀卡器進(jìn)行考勤，完全解決了這一問(wèn)題。

圖3 系統(tǒng)程序流程Fig.3 System program flow chart

5 結(jié)語(yǔ)

本文完成了一種基于STM32F103RB和有源RFID技術(shù)的簡(jiǎn)易學(xué)生平安短信服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生出入校平安短信息的發(fā)送功能，無(wú)漏讀和漏發(fā)短信情況。系統(tǒng)可靠性高、成本低廉、安裝操作簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的社會(huì)意義和推廣價(jià)值。

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