基于射頻卡式身份識別的智能教室考勤系統(tǒng)

魏慶麗, 樸冠宇, 李嬌陽, 吳字宇, 凌振寶

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 長春 130026)

0 引 言

在高校普遍推行學分制的條件下, 學生上課較分散, 班主任、 輔導員對學生的上課情況的了解與非學分制條件下相比有所削弱, 同時部分教師淡化課堂考勤, 導致一些學生因?qū)W分制課堂考勤監(jiān)控不嚴而長期曠課[1]。學分制課堂教學使傳統(tǒng)的課堂考勤制度遇到嚴峻挑戰(zhàn), 針對這種情況, 改進傳統(tǒng)考勤機制, 引進高效率的教室考勤系統(tǒng)是提高上課出勤率的必要手段和有效措施。

目前常用的教室考勤系統(tǒng)大多采用簡單的刷卡式信息記錄手段, 以磁卡作為考勤媒介, 要求考勤人必須攜帶與之身份相對應的磁卡, 通過刷磁卡內(nèi)保存的條形碼信息實現(xiàn)考勤[2]。此系統(tǒng)雖能高效率地解決考勤問題, 但存在諸多弊端, 如無法解決他人代刷卡考勤的作弊問題和及時有效統(tǒng)計出考勤結(jié)果等。對于一些較復雜的系統(tǒng), 如基于指紋識別的考勤系統(tǒng), 獲取信息困難, 存儲的數(shù)據(jù)量較大, 成本高, 不適合在高校中廣泛使用和推廣。針對目前現(xiàn)有系統(tǒng)的諸多弊端, 設計了一種基于磁卡式身份識別的智能教室考勤系統(tǒng)。與現(xiàn)有的教室考勤系統(tǒng)相比, 該系統(tǒng)在成本低廉, 考勤效率高的基礎上, 能有效地防止一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊現(xiàn)象的發(fā)生, 且由上位機系統(tǒng)進行信息統(tǒng)計、 出勤加分、 缺勤扣分和作弊標記, 方便及時存儲考勤結(jié)果。

1 總體設計方案

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊, 主控器數(shù)據(jù)處理模塊, 無線傳輸模塊和上位機系統(tǒng)組成, 整體框圖如圖1所示。為準確統(tǒng)計人流量, 防止學生出勤作弊等行為, 系統(tǒng)通過射頻識別模塊與兩對對射式紅外傳感器進行信息采集。采集的數(shù)據(jù)通過串口輸出方式傳送至主控器STC12C5A60S2單片機進行綜合數(shù)據(jù)處理, 通過紅外傳感器采集的信息確認進出教室方向, 通過射頻模塊刷卡信息確認進入人員數(shù)。綜合上述二者信息, 以確認有無一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊現(xiàn)象。系統(tǒng)由液晶顯示屏顯示結(jié)果及作弊蜂鳴提示, 最后主控器通過無線裝置將數(shù)據(jù)傳至上位機系統(tǒng)進行信息統(tǒng)計與存儲。

系統(tǒng)由具有節(jié)能功能的低壓直流供電系統(tǒng)供電, 因考勤系統(tǒng)功耗較低, 故低壓供電系統(tǒng)滿足供電要求[3,4]。在考勤系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)時, 直流供電系統(tǒng)自動進入睡眠狀態(tài)； 當有人員出入時, 由數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息激活供電系統(tǒng), 以保證考勤系統(tǒng)的正常運行。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設計

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制核心, 數(shù)據(jù)采集模塊通過串口將信號傳送給主控器, 主控器處理數(shù)據(jù)后顯示其結(jié)果, 再通過無線傳輸與上位機進行數(shù)據(jù)通信。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

該模塊由射頻識別模塊與紅外光電傳感器兩部分組成, 這兩部分共同工作, 對數(shù)據(jù)進行采集, 紅外發(fā)射管A和紅外發(fā)射管B分別平行安裝在左邊門框的內(nèi)外兩側(cè), 紅外接收管A′、 紅外接收管B′分別平行安裝在右邊門框的內(nèi)外兩側(cè), 射頻識別模塊安放在門框一側(cè)。數(shù)據(jù)采集模塊安裝及數(shù)據(jù)采集模塊位置分別如圖2和表1所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊的安裝

表1 數(shù)據(jù)采集模塊位置

射頻識別是利用射頻通信實現(xiàn)的自動識別技術(shù), 它無需接觸即可對目標進行識別, 通過雙向數(shù)據(jù)通信的方式獲取數(shù)據(jù)[5-8]。當磁卡進入射頻識別區(qū)域時, 卡內(nèi)信息被讀卡器讀取, 通過串口將數(shù)據(jù)傳送至主控器。紅外傳感器由發(fā)射端和接收端組成, 在工作過程中, 當發(fā)射管和接收管之間沒有物體阻擋時, 傳感器輸出低電平信號, 一旦有物體通過即對傳感器進行遮擋, 則其輸出電平立即發(fā)生跳變, 產(chǎn)生一個上升沿[5]。此信號發(fā)送給主控器, 以確定人員進出方向。

2.2 主控器數(shù)據(jù)處理的防作弊設計

目前常用的學生卡門禁系統(tǒng), 雖然免去了教師的點名負擔, 但門禁系統(tǒng)只能記錄學生進門時間, 并不能杜絕多人持一卡刷卡簽到及一人持多卡刷卡簽到的情況[9]。本系統(tǒng)的主控器對射頻識別模塊與紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)進行綜合處理, 實現(xiàn)了考勤系統(tǒng)的防作弊設計。

兩對對射式紅外傳感器可判斷人員進出狀態(tài)[10]。將A、A′, B、B′兩對對射式紅外傳感器平行安裝在教室的出入口內(nèi)、 外兩側(cè), 當A、A′先于B、B′檢測到高電平信號時, 表明所測人員為離開； 當B、B′先于A、A′檢測到高電平信號時, 表明所測人員為進入。當人員進入, 處于A,B之間刷卡, 若刷卡成功且進入教室, 則紅外傳感器信號記為進入加1, 射頻識別的刷卡信號記為加1, 則兩路信號傳送至主控器進行暫存。由主控器比較兩路信號的記錄初值, 若相同表明單人員正常進入, 進入人員計數(shù)總值加1, 并保存刷卡記錄的人員信息、 人員信息記錄累加值m及刷卡次數(shù)記錄初值i。

當一人持多卡刷卡簽到時, 紅外傳感器信號記為進入加1, 而射頻識別的刷卡次數(shù)加i(i≥2), 主控器比較兩路信號的記錄初值, 若不同表明存在作弊現(xiàn)象, 暫存的i名人員數(shù)據(jù)信息顯示在液晶屏幕上, 清除暫存的數(shù)據(jù), 即此次刷卡的人員簽到無效, 并發(fā)出蜂鳴提示, 人員計數(shù)總值加1。當m人持一卡刷卡簽到時, 刷卡結(jié)束后, 主控器檢測存儲的刷卡人員信息。若存在相應人員信息記錄累加值m≥2的情況時,則清除此人員的刷卡記錄, 即此人簽到無效, 并發(fā)出蜂鳴提示, 進入人員計數(shù)總值加m。主控器數(shù)據(jù)處理的防作弊工作情況如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理的防作弊工作情況

2.3 無線傳輸模塊的設計

為方便主控器與上位機系統(tǒng)進行通信, 系統(tǒng)通信采用射頻模塊nRF24L01進行無線傳輸。射頻模塊nRF24L01內(nèi)部集成了基帶處理器, 設備調(diào)試容易, 且數(shù)據(jù)傳輸速率較高, 通信距離長, 成本相對較低, 在接口與編程方面相對其他模塊更加簡單[11-13]。該部分設計以51系列單片機系統(tǒng)為主機控制核心模塊, 實現(xiàn)下位機與上位機系統(tǒng)的無線傳輸, 無線傳輸模塊硬件電路如圖4所示。

a 發(fā)射電路

b 接收電路

3 軟件設計與實現(xiàn)

3.1 主控器軟件設計

圖5 主控器程序流程圖

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機為數(shù)據(jù)處理器, 采用C語言進行軟件開發(fā), 不僅使程序?qū)哟吻逦? 便于使用、 維護和調(diào)試, 而且使軟件具有應用廣泛、 可移植性強等特點[14]。整個系統(tǒng)的程序采用子程序調(diào)用的模塊化設計思想, 各子程序塊設計相對獨立, 便于后期的修改和調(diào)整。程序的流程如圖5所示。

程序采用外部中斷0和外部中斷1的方式對紅外傳感器的信號進行控制, 根據(jù)兩個傳感器安裝的位置決定兩個中斷被觸發(fā)的先后順序。當紅外傳感器接收到外部信號時, 進入中斷服務子程序, 中斷服務子程序處理結(jié)束后返回主程序。射頻識別和顯示部分的子程序在主程序中調(diào)用。主控器初始化之后通過紅外傳感器及射頻模塊進行信息采集, 數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送至顯示模塊進行實時顯示并通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機系統(tǒng)。

3.2 上位機系統(tǒng)的設計

上位機系統(tǒng)的教室考勤系統(tǒng)軟件采用VB進行開發(fā)設計。軟件系統(tǒng)包括: 數(shù)據(jù)接口模塊、 信息顯示模塊和考勤信息控制模塊。

數(shù)據(jù)接口模塊用于實現(xiàn)PC機與單片機的串口通信, 利用VB中的MSComm控件實現(xiàn)。MSComm控件是VB中的一個ActiveX控件, 提供了兩種處理通信方式: 1) 事件驅(qū)動方式, 當串口發(fā)生事件或錯誤時, 該控件會產(chǎn)生OnComm事件, 用戶程序可以捕獲該事件進行相應處理; 2) 查詢方式, 定時或不定時地在用戶程序中查詢該控件的某些屬性是否發(fā)生變化, 從而進行相應處理[15]。此處使用了前一種處理通信方式。

信息顯示模塊用于顯示PC機接收到的學生總?cè)藬?shù)及學生信息數(shù)據(jù), 包括學生姓名、 學號、 平時成績, 給出勤的同學加平時成績分。此處利用VB中的Text控件實現(xiàn)信息顯示。

考勤信息控制模塊用于存儲、 清除PC機接收的數(shù)據(jù)等。學生數(shù)據(jù)接收成功并顯示后, 可對學生數(shù)據(jù)進行存儲, 即保存成Excel文檔, 方便教師查看并可通過每堂課考勤保存的成績數(shù)據(jù)給定期末平時成績。在VB中可以利用OLE技術(shù)訪問Excel、 調(diào)用Excel的事件方法, 完成報表的制作[16]。微軟的Excel對象模型中經(jīng)常使用的4個對象有： ① Application對象, 它處于Excel對象層次結(jié)構(gòu)的頂層, 表示Excel自身的運行環(huán)境； ② workbook對象, 它直接地處于Application對象的下層, 表示一個Excel工作簿文件； ③ worksheet對象, 它包含于workbook對象, 表示一個Excel工作表； ④ Range對象, 它包含于worksheet對象, 表示Excel工作表中的一個或多個單元格。在VB中可對這些對象進行直接控制, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。程序中創(chuàng)建OLE對象實例、 定義初始化Excel對象的部分代碼如下：

Dim Ex As Object

Dim ExBook As Object

Dim ExSheet As Object

Set Ex=CreateObject(“Excel.Application”)’創(chuàng)建并返回一個對ActiveX對象的引用

Set ExBook=Ex.Workbooks.Open(“C:UserslenovoDesktop平時成績考察表.xls”, False)

Set ExSheet=ExBook.Worksheets(“Sheet1”)’打開

ExSheet.Activate’激活工作表

Ex.Visible=True’Excel應用程序窗口顯示方式設置

ExSheet.Range(“A1:U1”).Value=Array(“學號”,“姓名”,“平時成績”)

此外, 還可根據(jù)實際需要添加其他功能模塊。

4 測試與分析

將該系統(tǒng)的硬件裝置安裝在一教室門框上, 由51人組成的人流進行系統(tǒng)測試, 其中3人持一張卡(測試人2的卡)進入教室, 1人持2張卡(測試人6、7的卡)進入教室, 其余47人持自己卡進入教室。實驗結(jié)果及軟件界面如圖6所示。

a 上位機軟件界面 b 數(shù)據(jù)保存的Excel文檔

由測試結(jié)果可看出, 系統(tǒng)能較精確地識別學生身份, 檢測教室人流量, 真正起到了對一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊現(xiàn)象的預防作用。

5 結(jié) 語

筆者研究的課堂考勤系統(tǒng)在軟硬件上相對獨立, 易于排查糾錯, 且組件價格低廉、 易于獲得, 降低了使用成本和后期維護成本, 使其應用范圍更加廣泛, 具有較強的推廣性和實用性。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)考勤制度存在的多種缺點, 并通過在教室門口并排安裝多套考勤裝置, 實現(xiàn)了課堂考勤的自動化和高效化。教師能在上課前及時了解學生的出勤情況, 并能有效地杜絕代人出勤等現(xiàn)象, 對學生遲到、 曠課等情況起到監(jiān)督作用； 隨著高校招生規(guī)模的擴大, 班級人數(shù)的增加, 教師很難記住全部學生的姓名和相關(guān)信息。通過該系統(tǒng), 在完成課堂考勤后, 教師能直觀地了解到學生相關(guān)信息, 準確地選擇出勤的學生進行提問, 并記錄成績等。對教學管理起到一定的幫助作用, 使教學管理工作更加細致和人性化。

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