基于RFID技术的课堂考勤系统设计

宁波工程学院电信学院RFID技术论文论文名称基于RFID技术的课堂考勤系统设计专业、班级系统设计083姓名黄霞沈小凤韩娇王一迎学号13141516指导老师安鹏老师基于RFID技术的课堂考勤系统设计2基于RFID技术的课堂考勤系统设计沈小凤1,安鹏2,黄霞3,韩娇4,王一迎5(1,2,3,4,5宁波工程学院电信学院，浙江宁波315016)摘要：本文研究和设计了一种基于射频识别（RFID）技术的课堂考勤系统。此系统是利用RFID技术，实现对到课堂上课人员的简单快速地自动点到和离开课堂的记录，保存相关的数据信息供教职人员检阅，从而免去平时点名占用的课堂时间。这里简单介绍了课堂考勤系统的基本功能和组成，然后对系统各重要组成部分进行了详细的分析。关键词：射频识别；自动点到；电子标签；课堂考勤中图分类号：文献标识码：文章编号：引言如今的大学校园里，学生翘课、迟到、早退的现象已经屡见不鲜。考虑到每天每位老师都要进行对学生的考勤管理，尤其在大学课堂上，上课人数众多，点名考勤要占用很多时间，学生的人数众多单靠少数人员的监督很难做到对学生的实时管理，管理难度比较大。为了解决学校课堂考勤管理难的问题而设计了一种智能的课堂考勤系统。本系统采用了RFID技术，旨在于对学生进行考勤，不仅提高了管理效率，更增加了学生的出勤率。1RFID系统1.1RFID技术的特点RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。它是用无线射频方式进行非接触双向通信,以达到识别目的并交换数据的一项新技术。它主要与当今数字化商务相适应,可以实现自动识别和远程监控及管理。其通信距离范围可从几厘米到几十米,而且依据读写方式不同,可以输入几千字节的数字信息,具有极高的保密性[1]。FRID技术的环境适应性强，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪和管理功能,且穿透能力和抗干扰能力强。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。因此，RFID技术已在世界各地得到广泛应用，如工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[2]。2.2RFID系统的组成和工作原理一个典型的RFID系统由阅读器、应答器（RFID卡）和中央管理控制软件组成。阅读器是产生射频信号及高频能量来激活RFID卡片工作,并与卡片进行数据交换的设备。应答器（RFID卡）的核心是含有一定存储容量的芯片，用于存储被识别物体的信息，它在接收并调制反射高频信号时达到与阅读器相互识别和通信的目的。中央管理控制软件主要是收集阅读器的信息，根据具体应用进行相关的数据处理。RFID系统分为有源和无源两类。有源RFID卡由电池提供能量，而无源RFID卡不用电池,由接收到的阅读器发射的高频信号转换成直流来提供工作能量。无源RFID卡的工作原理如下：当处于“工作”状态,即进入阅读器的辐射能量场，卡片上的天线接收到射频信号，然后由能量处理电路中相关的整流器件将射频检波、整流转化为直流电压，为RFID卡上的芯片提供工作能量。芯片内部的调制器以一定的调制方式（幅移键控），将芯片内部的信息进行调制,然后通过天线发射出去。阅读器的接收天线接收并识别出调制信息后，按约定的解调基于RFID技术的课堂考勤系统设计3方式进行解调，然后把解调的信息通过相关的接口(RS2232)传送到主机的中央管理软件进行数据处理[3]。2.3RFID系统的应用现状RFID作为一种自动无线识别和数据获取技术，已经使用了多年，应用领域越来越多。按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。工作频率范围为30kHz～300kHz低频段射频标签，其阅读距离一般小于1米。其典型应用有：动物识别、工具识别、电子闭锁防盗等。中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。其阅读距离一般情况下也小于1米。由于可方便地做成卡状，中频标签广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗、小区物业管理、大厦门禁系统等。微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。相应的射频识别系统阅读距离一般为4m～6m，最大可达10m以上。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。在实际应用中，比较常用的是13.56MHz、860MHz～960MHz、2.45GHz等频段。我国在125KHz、13.56MHz等LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟，HF频段方面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693标准的RFID芯片，并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等项目中。2课堂考勤系统设计本系统主要是能够做到让佩戴含有RFID芯片学生卡的学生在通过教室大门时无需接触打卡机即可自动感应考勤，并能在有多人同时通过教学楼大门时做到实现考勤而不需排队，同时控制阅读器把接收到的这些信息上传到电脑终端进行处理，会准确记录学生的来往时间记录等信息。系统总框图如图1所示。图1课堂考勤系统框图3.1阅读器阅读器的主要功能是接收学生卡信息并上传给服务器，使服务器收到信息以便在设备终端系统进行统计。阅读器的框架图如图2所示：基于RFID技术的课堂考勤系统设计4图2阅读器框图3.1.1MC9S08AW60阅读器的硬件系统以MCU为核心，采用Freescale公司的MC9S08AW60芯片，该芯片是低成本、高性能的8位微处理器单元（MCUs）HCS08家族中的成员，使用增强型HCS08核。它具有64/48/44引脚的四方扁平封装（QFP）。MC9S08AW60的应用特点非常丰富。它采用8位HCS08中央处理单元（CPU）。CPU主频40MHz，内部总线频率20MHZ，具有HC08指令子集，增加了BGND指令，接口采用单线后台调试模式，允许单一的断点设置在线调试，具有片内实时功能，支持多达32个中断/复位源。该芯片还具有高达60KB的片内在线可编程FLASH存储器，带有块保护和安全选项，并有高达2KB的片内RAM。时钟源选项包括晶体，谐振器，外部时钟，或内部产生的时钟与精密NVM切边。系统保护模式可以采用可选的计算机正常操作（COP）复位、低电压检测与复位或中断、非法操作码检测与复位及非法地址检测与复位（一些设备不具有非法地址）等。外部设备有多达16个通道的ADC模块，具有10位AD转换器与自动比较功能；两个串行通信接口模块与可选的13位中断；串行外设接口模块；运作高达100kbps的最高总线负载的集成电路互连总线模块；1个2通道和1个6通道的16位定时器/脉冲宽度调制器（TPM）模块；高达8引脚的键盘中断模块。输入输出有高达54个通用I/O管脚，还有主复位引脚和上电复位及内部上拉复位管脚等。采用Wait另加两个STOPS的省电模式。3.1.2RFID芯片RFID芯片采用CY-14443A系列射频读写模块制作，该模块是采用基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOSEEPROM工艺，支持ISO14443typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持UART接口(-C)，I2C接口(-U)，或者SPI接口(-P),数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。特别适用于ISO14443标准下水电表、自动售货机、门禁、、电话机等计费系统或身份识别系统的读卡器的应用。CY-14443A系列支持MifareOneS50，S70，UltraLight&MifarePro，FM11RF08等兼容卡片。可以设定自动寻卡，默认情况下为自动寻卡。CY-14443A系列全部有板载内置天线，可以再接外接天线。其中内置天线的优点是提高集成度，可读取达到6cm以内的卡，基本不需再外接大天线就可以满足大部分的设计需要，并且不需要更换电路就可以再连接外部天线，提高了系统的可重用性，大大降低成本，另外，内置天线的读头可以作为有源天线使用。该模块还增加了4kBitsEEPROM，EEPROM字节地址从0x00到0x1FF，可以读取PCD的PN,SN。其功能框图如图4所示。基于RFID技术的课堂考勤系统设计5图3CY-14443A系列射频读写模块功能框图单片机与该射频模块使用SC2接口进行通讯，通讯接口简便，如下图所示：图4CY-14443A系列射频读写模块串口连接模式3.1.3液晶显示与按键液晶显示屏与按键都与单片机的I/O相连，作为数据读取之后的显示模块和按键操作模块。该部分的连接简单，如下实物图6如所示。图5阅读器硬件实物图基于RFID技术的课堂考勤系统设计63.1.4外部通讯外部通讯采用MAX485接口芯片。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片，采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。其引脚结构图如图7所示。从图中可以看出,MAX485芯片的引脚非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；反之为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。单片机与外部主机通过RS485接口芯片连接图如图8所示。图6单片机与外部通讯连接图3.2学生卡学生卡采用无源RFID标签，由一个电子数据处理、存储设备（通常是单个微小芯片）和实现天线功能的大面积环绕线圈组成。学生卡主要是在进入阅读器的有效区域内发送信息给阅读器，使得阅读器可以读取到通过人员的卡里的信息。每张学生卡里都存储着每位学生的学号、专业、班级本学期课程等信息。其结构图如图9所示。图7学生卡示意图4软件部分系统的中央管理控制软件是课堂考勤系统的中心，以控制阅读器和RFID卡的工作状态，以及进行学生出入教室数据统计处理等。主要特点是：易于操作控制；通过串口通信协议，实现对阅读器的控制与数据传送；学生信息的录入简单方便，维护性和保密性好；快速统计处理数据；有完善的资料查询功能等。系统软件功能模块主要包括：用户登录模块、实时报到和退堂显示模块、阅读器控制模块、数据库管理模块、数据统计处理模块。如下图所示：MC9S08AW60MAX485MAX485外部主机RXDTXDABRXDTXDGNDGND基于RFID技术的课堂考勤系统设计74.1RFID通讯协议通讯波特率出厂默认为19200，1位起始位，8位数据位，1位停止位。UART工作在半双工方式，即模块接受指令后才会做出应答。其命令格式为：前导头＋通讯长度＋命令字＋数据域＋校验码。其中，前导头为0xAA0xBB两个字节，若数据域中也包含0xAA那么紧随其后为数据0，但是长度字不增加。通讯长度是指明去掉前导头之外的通讯帧所有字节数(含通讯长度字节本身)。命令字是各种用户可用命令。校验码为去掉前导头和校验码字节之外，所有通讯帧所含字节的异或值。CPU发送命令帧之后，需要等待读取返回值，该返回值的格式如下：前导头＋通讯长度＋上次所发送的命令字＋数据域＋校验码。下面是基于mega12816AU的485通信中断接收的程序，调试通过,晶振为外部16MHZ，MAX485的DE和RE短接连PC0口，程序如下：#defineSEND_485PORTC|=0x01#defineREAD_485PORTC&=0xfevoidUsart1_init(void)//16MHZ频率，设置波特率9.