校園一卡通管理系統(tǒng)的構(gòu)建及主要模塊設(shè)計(jì)

李奇,馬忠梅,范非易,王曉

(北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京100081)

李奇(碩士研究生),主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;馬忠梅(副教授),主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

引 言

信息時(shí)代的校園離不開信息化的管理,數(shù)字化“校園一卡通”建設(shè)是校園信息化建設(shè)的重要組成部分,是校園信息化采集的基礎(chǔ)工程。校園一卡通是由學(xué)校統(tǒng)一發(fā)放的集工作證、學(xué)生證、圖書證、餐卡、浴卡、上機(jī)卡、考勤卡、電子錢包等功能于一體的非接觸式射頻IC卡。校園一卡通將智能IC卡的強(qiáng)大功能與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化理念融入校園,將學(xué)校各個(gè)系統(tǒng)連為一體,可以隨時(shí)掌握每一個(gè)持卡人的基本情況,有效地簡化校園日常管理,提高學(xué)校的管理水平和服務(wù)質(zhì)量。同時(shí),在減少學(xué)校的重復(fù)性投入建設(shè)、管理及節(jié)約費(fèi)用等方面也起到積極作用。鑒于RFID技術(shù)的逐步成熟及校園一卡通的廣泛應(yīng)用與優(yōu)勢,為彌補(bǔ)學(xué)生考勤管理的缺陷,設(shè)計(jì)開發(fā)了基于校園一卡通的考勤管理系統(tǒng)。

1 考勤管理系統(tǒng)概述

在本系統(tǒng)中,校園一卡通作為非接觸式身份識別的標(biāo)簽,構(gòu)成考勤管理系統(tǒng)的信息采集源。校園一卡通與讀卡器之間利用射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,讀卡器對校園一卡通的操作可以在瞬間完成。學(xué)生在上下課時(shí),只需將個(gè)人的一卡通在讀卡器前一晃,讀卡器即可自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地獲得校園卡卡號和刷卡時(shí)間等信息,然后微控制器對信息簡單打包,上傳至上位機(jī)軟件系統(tǒng)。考勤管理系統(tǒng)軟件對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包、校驗(yàn)等操作后,及時(shí)修改相關(guān)數(shù)據(jù)并把部分信息保存至數(shù)據(jù)庫,方便教師隨時(shí)查詢學(xué)生的出勤情況、匯總考勤報(bào)表等,從而有效地完成考勤管理工作,為學(xué)生考勤管理提供完整的解決方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 校園一卡通工作原理

校園一卡通的電氣部分由ASIC和天線組成。卡片的天線僅僅由幾組線圈組成,很容易被封裝到卡片中。卡片的ASIC一般由一個(gè)高速的 RF接口、一個(gè)控制單元和一個(gè)幾KB的EEPROM組成。

當(dāng)讀卡器向一卡通發(fā)出一組固定頻率的電磁波時(shí),卡片內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路的頻率與讀卡器發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵(lì)下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,產(chǎn)生微弱電流作為電源為其他電路提供工作電壓,將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射給讀卡器或者接收讀卡器的數(shù)據(jù)。

2.2 一卡通讀卡器模塊

本模塊采用AK-RFMOD05CD芯片對校園一卡通進(jìn)行讀寫操作,該芯片可以讀寫符合ISO14443 TYPE A/B -2,-3規(guī)范的射頻卡芯片(AT88RF020、AT88SC6416CRF 、ST_SRI176 、ST_SRIX4K 、MIFARE S50、MIFARE S70以及其他兼容 ISO14443 TYPE A/B規(guī)范的CPU卡、雙界面卡)。芯片與MCU之間可以通過多種接口(UART、SPI、TWI等)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,便于用戶使用。從應(yīng)用的角度概括起來,其性能特征如下:

◆完全兼容ISO14443 TYPE A和TYPE B標(biāo)準(zhǔn),可以穩(wěn)定讀寫各種符合ISO14443 A/B兩種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的卡片;

◆支持UART、SPI、TWI協(xié)議等多種外部通信接口,方便用戶開發(fā);

◆I/O引腳CMOS和TTL輸入/輸出電平兼容;

◆直接驅(qū)動(dòng)50 Ω天線;

◆卡片通信FIFO為48字節(jié);

◆工作頻率13.56 M Hz。

同時(shí),該芯片可對外提供13個(gè)I/O引腳、256字節(jié)的EEPROM、內(nèi)置上電復(fù)位電路、看門狗電路等硬件資源。其本身還具有自動(dòng)檢測與測控功能,便于應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

2.3 讀卡器模塊硬件接口

讀卡器模塊采用Wiegand協(xié)議與微控制器通信。本系統(tǒng)將Wiegand數(shù)據(jù)輸出線WD0和WD1分別與Cortex-M3系列微控制器 LM3S1138的2個(gè)I/O引腳相連,讀卡器模塊與LM3S1138連接圖如圖1所示。

圖1 讀卡器模塊與LM3S1138連接圖

讀卡器數(shù)據(jù)線WD0連接PB0引腳,當(dāng)該引腳被讀卡器置為低電平時(shí),說明當(dāng)前傳輸一位數(shù)據(jù)0;讀卡器數(shù)據(jù)WD1連接PB1引腳,當(dāng)該引腳被讀卡器置為低電平時(shí),說明當(dāng)前傳輸一位數(shù)據(jù)1。讀卡器的Wiegand協(xié)議選擇線連接PB2引腳,當(dāng)該引腳懸空時(shí)(高電平或高阻)時(shí),模塊選擇26位 Wiegand協(xié)議,否則選擇34位Wiegand協(xié)議。此外,讀卡器模塊與微控制器LM3S1138共地。

2.4 Wiegand協(xié)議與接口定義

Wiegand協(xié)議是由摩托羅拉公司制定的,具有適用于涉及門禁控制系統(tǒng)的讀卡器和卡片的許多特性,其協(xié)議沒有定義通信的波特率和數(shù)據(jù)長度。Wiegand協(xié)議支持多種數(shù)據(jù)格式,現(xiàn)在應(yīng)用最多的是26位、34位、36位、44位等,其中標(biāo)準(zhǔn)26位格式是一個(gè)開放式的格式,并且對所有HID的用戶開放,其數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖2 26位Wiegand數(shù)據(jù)幀格式

任何人都可以購買某一特定格式的HID卡,并且這些特定格式的種類是公開可選的,現(xiàn)在幾乎所有的門禁控制系統(tǒng)都接受26位格式的標(biāo)準(zhǔn),促使其逐步成為廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其中26位Wiegand數(shù)據(jù)幀格式定義如下:

◆第1位為2～13位的偶校驗(yàn)位;

◆第2～9位對應(yīng)電子卡HID碼的低8位;

◆第10～25位對應(yīng)電子卡的PID號碼;

◆第26位為14～25位的奇校驗(yàn)位。

以上數(shù)據(jù)從左至右順序發(fā)送,高位在前。在上述標(biāo)準(zhǔn)26位Wiegand協(xié)議數(shù)據(jù)中,只包含了電子卡HID碼的低8位二進(jìn)制編號(實(shí)際電子卡的HID碼為16位),即對應(yīng)于Wiegand數(shù)據(jù)幀的第2～9位;同時(shí)包含電子卡的16位PID二進(jìn)制編號,即Wiegand數(shù)據(jù)幀的第10～25位。

當(dāng)安裝讀卡器模塊時(shí),在讀卡器和門禁控制面板的連接點(diǎn)(終端)上都能夠看到7根連接線,Wiegand接口引腳定義如表1所列。目前幾乎所有的標(biāo)準(zhǔn)型讀卡器都可以提供可供選擇的Wiegand接口,WD0和WD1線負(fù)責(zé)傳送Wiegand數(shù)據(jù),也被稱為Wiegand信號線。Wiegand數(shù)據(jù)由這2根線分別輸出0或1。輸出0時(shí),WD0線上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖;輸出1時(shí),WD1線上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖。

表1 Wiegand接口引腳定義

2.5 26位Wiegand數(shù)據(jù)接收

Wiegand數(shù)據(jù)的接收對時(shí)間的實(shí)時(shí)性要求比較高,如果用查詢的方法接收極易出現(xiàn)丟幀的現(xiàn)象。假設(shè)查詢到WD0為0時(shí)主程序正在指向其他任務(wù),等主程序執(zhí)行完該任務(wù)時(shí)WD0已經(jīng)變?yōu)?1了,那么這樣就丟失了一個(gè)Wiegand數(shù)據(jù)0。這樣讀出的Wiegand數(shù)據(jù)將不能通過奇偶校驗(yàn),導(dǎo)致MCU接收不到讀卡器模塊發(fā)送的正確卡號。目前,以外部中斷方式接收Wiegand數(shù)據(jù)是比較好的選擇,其核心代碼如下:

程序開始后初始化相關(guān)引腳的輸入/輸出方式,并且設(shè)置PB0和PB1的中斷為下降沿觸發(fā),在接收數(shù)據(jù)時(shí),主程序中斷后進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中判斷觸發(fā)中斷的引腳編號,得知當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是0或者1,并將數(shù)據(jù)存入一個(gè)全局靜態(tài)數(shù)組。其Wiegand數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。

使用數(shù)字式示波器對讀卡器的WD0和WD1數(shù)據(jù)線的波形進(jìn)行截取和分析。當(dāng)協(xié)議選擇線為高電平或懸空時(shí),即選擇26位Wiegand協(xié)議。此時(shí)將一張校園卡放置在讀卡器上,截取的26位Wiegand數(shù)據(jù)波形如圖4所示。其中上面波形為WD0,下面波形為WD1。從而可知該卡的26位 Wiegand碼為 00000110100010010100110111,數(shù)據(jù)波形與微控制器所接收的數(shù)據(jù)保持一致。

圖3 Wiegand數(shù)據(jù)接收流程

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是基于Visual Studio 2008系統(tǒng)平臺進(jìn)行開發(fā),并采用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)。開發(fā)過程中,主微控制器把采集到的校園一卡通編號等信息都通過虛擬串口傳輸?shù)絇C上位機(jī),上位機(jī)軟件對接收到的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步進(jìn)行處理。為了較好地完成通信任務(wù),該軟件采用多線程串口通信CserialPort類進(jìn)行開發(fā),CserialPort類是由Remon Spekeijse提供的免費(fèi)串口類,其內(nèi)部函數(shù)完全透明,并允許用戶對相關(guān)類進(jìn)行改造、補(bǔ)充與完善。

刷卡過程中,微控制器通過中斷方式獲得校園一卡通的ID,然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、封裝并通過 UART0傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)軟件在獲得傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)包后,立即對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包解析,并利用解析數(shù)據(jù)查找已備份的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),獲得校園一卡通主人的考勤信息、基本信息等并予以顯示?？记诠芾硐到y(tǒng)軟件界面如圖5所示。同時(shí)軟件需要對部分?jǐn)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和備份,保證用戶對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確訪問。

圖4 26位Wiegand數(shù)據(jù)波形圖

圖5 考勤管理系統(tǒng)軟件界面

此外,根據(jù)用戶的需要靈活地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各子功能模塊,給出相應(yīng)的功能模塊集;將原有子系統(tǒng)的某些配置功能置于系統(tǒng)部署模塊中,可以有效地防止系統(tǒng)由于一卡通用戶配置不當(dāng)而產(chǎn)生的不良后果,從而減少系統(tǒng)維護(hù)的開銷。

結(jié) 語

校園一卡通的考勤管理系統(tǒng)通過先進(jìn)的RFID獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),采用Accesss數(shù)據(jù)庫存儲備份數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)信息能夠真實(shí)地反映學(xué)生的出勤情況,提供了基于各種條件的統(tǒng)計(jì)、查詢與分析功能,為學(xué)校教學(xué)管理的全面開展和學(xué)生考勤考核提供了重要的參考依據(jù),具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]馬忠梅,徐琰,葉青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2010:199-228.

[2]李楠,段曉輝,吳亞坤,等.基于主動(dòng)式RFID的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2006(12).

[3]桑靜,王宜懷.基于RFID的學(xué)生考勤系統(tǒng)閱讀器的開發(fā)[J].電腦知識與技術(shù),2008(2).

[4]何彤宇,楊樹英,邢若南,等.基于RFID技術(shù)的學(xué)生網(wǎng)絡(luò)考勤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2010(11).

[5]劉瑩.RFID技術(shù)原理及其應(yīng)用分析[J].中央民族大學(xué)學(xué)報(bào),2006(1).