基于超聲波+NFC技術(shù)的考勤統(tǒng)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)研究

曹昕妮，程子懿

（天津工業(yè)大學(xué)，天津， 300382）

0 引言

學(xué)風(fēng)建設(shè)，校園管理對(duì)學(xué)校的教學(xué)成果有顯著影響。多數(shù)學(xué)校為了滿足人才培養(yǎng)的需求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生個(gè)人能力培養(yǎng)，提升學(xué)校管理水平，采用學(xué)生課堂考勤管理系統(tǒng)。當(dāng)今很多高校仍采用表格統(tǒng)計(jì)情況的形式，由班干部配合老師將考勤數(shù)據(jù)逐級(jí)上報(bào)[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，人工統(tǒng)計(jì)出勤具有效率低，速度慢等缺點(diǎn)，僅靠人工統(tǒng)計(jì)出勤難以滿足學(xué)校日常管理需求。為解決上述問(wèn)題，提高考勤統(tǒng)計(jì)效率，當(dāng)今考勤系統(tǒng)大致分為以下幾種類(lèi)型：手機(jī)智能考勤平臺(tái)、生物識(shí)別考勤平臺(tái)、智能卡考勤平臺(tái)、藍(lán)牙設(shè)備考勤平臺(tái)、WEB考勤平臺(tái)、SSH構(gòu)架考勤平臺(tái)[1]。

當(dāng)今很多學(xué)校仍面臨著學(xué)生遲到早退等問(wèn)題，雖然簽到系統(tǒng)可以一定程度上起到督促作用，但傳統(tǒng)的簽到系統(tǒng)難免存在學(xué)生代簽，或者簽到后學(xué)生中途離開(kāi)等情況，使得教師無(wú)法及時(shí)得到學(xué)生的真正的考勤數(shù)據(jù)。

當(dāng)今疫情形勢(shì)更加嚴(yán)峻的形勢(shì)情況下，為保障廣大學(xué)生的健康，該系統(tǒng)增加了紅外線測(cè)溫模塊以完成對(duì)學(xué)生的體溫監(jiān)測(cè)，以滿足疫情防控基本需求。通過(guò)計(jì)算機(jī)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)，教師可在電子顯示屏或Android移動(dòng)終端上查看學(xué)生的考勤情況以及體溫情況。該系統(tǒng)將教師從繁瑣的考勤統(tǒng)計(jì)工作當(dāng)中解脫出來(lái)，使教師可以將更多的時(shí)間和精力投入到教學(xué)工作當(dāng)中。由于Android操作系統(tǒng)具有開(kāi)源的特點(diǎn)，源代碼豐富，比較容易進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為核心模塊、測(cè)溫測(cè)距模塊、NFC感應(yīng)模塊以及電源模塊。AT89C52單片機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)的加載、處理和輸出。同時(shí)采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊以及DS18B20紅外線測(cè)溫模塊完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且輸出數(shù)據(jù)流。選用合適的存儲(chǔ)器，緩沖數(shù)據(jù)，使得處理器能加載完成處理與輸出數(shù)據(jù)。通過(guò)電磁場(chǎng)耦合原理NFC感應(yīng)模塊可完成簽到打卡活動(dòng)。電源模塊則穩(wěn)壓輸出5V電壓供給AT89C52單片機(jī)、紅外線測(cè)溫模塊、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。NFC技術(shù)作為一種近距離非接觸式無(wú)線通信技術(shù)[3]，可廣泛應(yīng)用于校園一卡通上。與傳統(tǒng)技術(shù)相比較該系統(tǒng)傳輸速度快，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)作為核心部分的AT89C52單片機(jī)也具有成本低、可靠性高、多端口等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 系統(tǒng)移動(dòng)終端顯示

為方便教師掌握學(xué)生出勤情況，該出勤系統(tǒng)會(huì)將教室的座位情況顯示在移動(dòng)終端的屏幕中。該系統(tǒng)呈現(xiàn)了座位是否有人，以及學(xué)生的體溫情況。如若體溫不正常系統(tǒng)則會(huì)提醒教師，滿足學(xué)校的常態(tài)化防疫需求。

3 系統(tǒng)主體硬件配置

（1）測(cè)溫模塊：該系統(tǒng)包含的紅外測(cè)溫模塊通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的紅外輻射能量，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)而得到目標(biāo)的溫度值。

溫度傳感器我們使用了DS18B20，該傳感器在-10℃～+85℃范圍內(nèi)精度為0.5℃。在DQ端上拉一個(gè)電阻接到單片機(jī)P2.3端口。溫度傳感器將測(cè)量得到溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。時(shí)鐘電路由11.0952MHz晶振以及30pF電容C1和C2構(gòu)成。其向單片機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)間，使單片機(jī)可以正常工作。顯示模塊我們使用LM016液晶顯示屏。D0-D7端口為雙向數(shù)據(jù)端口分別連接至單片機(jī)P0.0～P0.7端口。RW端為讀寫(xiě)信號(hào)選擇端，E為使能端，RS為數(shù)據(jù)選擇端。

圖2 紅外測(cè)溫模塊原理圖

仿真模塊我們采用的是Proteus軟件，結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)溫模塊電路仿真圖

（2）測(cè)距模塊：本項(xiàng)目使用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行人體探測(cè)，其對(duì)于靜止物體測(cè)距結(jié)果較為精準(zhǔn)。其原理為：模塊四個(gè)引腳觸發(fā)信號(hào)Trig，回聲信號(hào)Echo，供電VCC和GND，測(cè)量周期60ms以上。當(dāng)給Trig一個(gè)10μs以上的脈沖時(shí)，HC-SR04內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)發(fā)出8個(gè)40kHz的脈沖，Echo剛收到回波時(shí)置一(超出一定范圍收到的信號(hào)不夠時(shí)，HC-SR04置一定時(shí)器不計(jì)數(shù))，單片機(jī)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到Echo沒(méi)有收到信號(hào)置零，記了TH+TL次機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期需要12個(gè)振蕩周期，由此時(shí)間就可以計(jì)算出來(lái)，再用時(shí)間乘速度就可以計(jì)算出距離S。

圖4 測(cè)距傳感器引腳圖

測(cè)距模塊具有四個(gè)引腳，分別為VCC、GND、TRIG以及ECHO。其四個(gè)引腳分別接5V電源、接地、觸發(fā)控制信號(hào)輸入端以及回聲信號(hào)輸出端。其中觸發(fā)信號(hào)輸入端在本項(xiàng)目中接AT89C52單片機(jī)P2.3引腳，回聲信號(hào)輸出端接單片機(jī)P2.4引腳。其中單片機(jī)18、19引腳接時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路由11.0952MHz晶振以及30pF電容C1和C2構(gòu)成。其向單片機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)作為單片機(jī)的機(jī)器周期，使單片機(jī)可以正常工作。使用Altium Designer軟件繪制的原理圖如圖5所示。

圖5 測(cè)距模塊原理圖

當(dāng)座位上出現(xiàn)人員時(shí)，系統(tǒng)所記錄的機(jī)器周期TH+TL將會(huì)明顯降低，所以所測(cè)量的距離S會(huì)相應(yīng)減少。故而當(dāng)數(shù)值S小于一定值時(shí)，我們可以判定該座位有人。同時(shí)，為防止書(shū)本桌椅對(duì)超聲波測(cè)量的干擾，該系統(tǒng)的超聲波測(cè)量裝置超聲波的發(fā)射方向具有一定角度。系統(tǒng)還將設(shè)定合理的時(shí)間限制，以降低該系統(tǒng)的敏感性提高其實(shí)用性。當(dāng)座位被判定無(wú)人時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)才會(huì)被判定為“擅自離開(kāi)”。

仿真我們使用了Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。按照此前在AD中繪制的電路圖繪制原理圖，超聲波測(cè)距模塊選用HC-SR04模塊。此后在Proteus中導(dǎo)入編譯c語(yǔ)言生成的.hex文件，進(jìn)行仿真。

（3）主體模塊：AT89C52單片機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)的加載、處理和輸出。此芯片應(yīng)用廣泛，成本較低，穩(wěn)定性高。

圖6 測(cè)距模塊仿真結(jié)果

（4）NFC模塊：NFC由RFID技術(shù)發(fā)展而來(lái)，其具有穩(wěn)定性高，無(wú)損耗，使用周期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4～5]。

NFC技術(shù)又稱(chēng)近場(chǎng)通信技術(shù)，故而只能在小于10cm時(shí)才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此特性在某種程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹5]。在當(dāng)今信息技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，該技術(shù)發(fā)展愈發(fā)成熟，其應(yīng)用涵蓋城市交通、移動(dòng)支付、身份識(shí)別等多個(gè)生活中常見(jiàn)的場(chǎng)景。其技術(shù)原理大致為：發(fā)射器主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)射頻場(chǎng)，通過(guò)兩個(gè)環(huán)形天線之間的電磁感應(yīng)為標(biāo)簽供電。發(fā)射器的天線和標(biāo)簽通過(guò)電磁場(chǎng)耦合，該系統(tǒng)可以被看作是一個(gè)空芯變壓器，其中閱讀器作為初級(jí)繞組，標(biāo)簽作為次級(jí)繞組：交流電通過(guò)初級(jí)線圈（發(fā)射器）在空氣中感應(yīng)磁場(chǎng)，在次級(jí)線圈（標(biāo)簽）中產(chǎn)生感應(yīng)電流。標(biāo)簽可以使用來(lái)自磁場(chǎng)的電流為自己供電：在這種情況下，不需要電池為其供電。該系統(tǒng)增加了NFC標(biāo)簽，學(xué)生可將帶有NFC感應(yīng)功能的設(shè)備（如智能手機(jī)、校園卡等）靠近系統(tǒng)即可完成學(xué)生身份的識(shí)別。此方式具有簡(jiǎn)單便捷識(shí)別速度快識(shí)別準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛地應(yīng)用于課堂簽到以及圖書(shū)館座位管理等場(chǎng)景。

圖7 NFC標(biāo)簽原理圖

能量收集輸出VOUT連接至VCC引腳，用于為NFC芯片充電。VOUT與VSS之間連接一個(gè)220nF電容，以保證射頻通信正常工作。LED以及其串聯(lián)電阻由VOUT供電。天線線圈參數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下：

NFC芯片與環(huán)形天線可等效成一個(gè)串聯(lián)RLC電路，由下式可計(jì)算出NFC天線的等效電感：

L是未知電感值，f為諧振頻率，C是電路等效電容。芯片協(xié)調(diào)電容值為50pF，NFC工作頻率為13.56MHz。則NFC天線等效電感2.75μH，據(jù)此進(jìn)一步得到天線的幾何參數(shù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)簽到界面：簽到時(shí)系統(tǒng)會(huì)讓學(xué)生輸入自己的姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)等基本信息，由此學(xué)生可以完成簽到。

圖8 簽到界面

學(xué)生完成簽到以后系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)座位的實(shí)時(shí)狀況。并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生人數(shù)，同時(shí)與系統(tǒng)中的學(xué)生名單做比較，記錄學(xué)生考勤狀況。并可以實(shí)時(shí)測(cè)量學(xué)生體溫，并將學(xué)生考勤狀況及學(xué)生健康狀況實(shí)時(shí)反饋到教師的客戶端中。當(dāng)學(xué)生離開(kāi)座位的狀態(tài)超過(guò)一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定為擅自離開(kāi)。并提醒教師采取相應(yīng)措施，系統(tǒng)還將發(fā)送消息給相應(yīng)同學(xué)，提醒其迅速回到課堂。如果學(xué)生對(duì)自己的出勤狀況有異議，比如自己并未離開(kāi)而系統(tǒng)卻將其判定為缺勤狀態(tài)，系統(tǒng)還設(shè)有“申訴”按鈕。當(dāng)學(xué)生按下該按鈕時(shí)系統(tǒng)則會(huì)給教師端發(fā)送信息提醒教師，當(dāng)教師確認(rèn)無(wú)誤后可以撤銷(xiāo)該名學(xué)生的缺勤記錄。系統(tǒng)設(shè)計(jì)更符合日常教學(xué)生活場(chǎng)景。

如果學(xué)生體溫發(fā)生異常系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并傳送至教師端。若出現(xiàn)此種情況，教師則需采取相應(yīng)疫情防控措施，減少疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 主程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

簽到考勤是教學(xué)進(jìn)程中必不可少的一部分，出勤情況直接關(guān)系到人才培養(yǎng)情況、教師的教學(xué)成果。建立起優(yōu)良學(xué)風(fēng)，考勤工作是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此需要一套完善的考勤評(píng)價(jià)系統(tǒng)。本文提出了一種可靠且實(shí)用性較高的方式，該方式滿足了日常簽到打卡的需求，并結(jié)合當(dāng)下我國(guó)國(guó)情，滿足當(dāng)下疫情防控常態(tài)化需求。并且該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，減少了教師的日常工作。將現(xiàn)代科技應(yīng)用到校園當(dāng)中，為促進(jìn)智慧校園建設(shè)打好基石。讓信息技術(shù)為廣大教師服務(wù)，一定程度上提升教育信息化水平。

圖10 測(cè)溫流程圖

圖11 人體探測(cè)流程圖