基于射频卡式身份识别的智能教室考勤系统

魏庆丽, 朴冠宇, 李娇阳, 吴字宇, 凌振宝

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130026)

0 引 言

在高校普遍推行学分制的条件下, 学生上课较分散, 班主任、 辅导员对学生的上课情况的了解与非学分制条件下相比有所削弱, 同时部分教师淡化课堂考勤, 导致一些学生因学分制课堂考勤监控不严而长期旷课[1]。学分制课堂教学使传统的课堂考勤制度遇到严峻挑战, 针对这种情况, 改进传统考勤机制, 引进高效率的教室考勤系统是提高上课出勤率的必要手段和有效措施。

目前常用的教室考勤系统大多采用简单的刷卡式信息记录手段, 以磁卡作为考勤媒介, 要求考勤人必须携带与之身份相对应的磁卡, 通过刷磁卡内保存的条形码信息实现考勤[2]。此系统虽能高效率地解决考勤问题, 但存在诸多弊端, 如无法解决他人代刷卡考勤的作弊问题和及时有效统计出考勤结果等。对于一些较复杂的系统, 如基于指纹识别的考勤系统, 获取信息困难, 存储的数据量较大, 成本高, 不适合在高校中广泛使用和推广。针对目前现有系统的诸多弊端, 设计了一种基于磁卡式身份识别的智能教室考勤系统。与现有的教室考勤系统相比, 该系统在成本低廉, 考勤效率高的基础上, 能有效地防止一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊现象的发生, 且由上位机系统进行信息统计、 出勤加分、 缺勤扣分和作弊标记, 方便及时存储考勤结果。

1 总体设计方案

系统主要由数据采集模块, 主控器数据处理模块, 无线传输模块和上位机系统组成, 整体框图如图1所示。为准确统计人流量, 防止学生出勤作弊等行为, 系统通过射频识别模块与两对对射式红外传感器进行信息采集。采集的数据通过串口输出方式传送至主控器STC12C5A60S2单片机进行综合数据处理, 通过红外传感器采集的信息确认进出教室方向, 通过射频模块刷卡信息确认进入人员数。综合上述二者信息, 以确认有无一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊现象。系统由液晶显示屏显示结果及作弊蜂鸣提示, 最后主控器通过无线装置将数据传至上位机系统进行信息统计与存储。

系统由具有节能功能的低压直流供电系统供电, 因考勤系统功耗较低, 故低压供电系统满足供电要求[3,4]。在考勤系统处于闲置状态时, 直流供电系统自动进入睡眠状态； 当有人员出入时, 由数据采集模块采集的信息激活供电系统, 以保证考勤系统的正常运行。

图1 系统整体框图

2 硬件设计

系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心, 数据采集模块通过串口将信号传送给主控器, 主控器处理数据后显示其结果, 再通过无线传输与上位机进行数据通信。

2.1 数据采集模块的设计

该模块由射频识别模块与红外光电传感器两部分组成, 这两部分共同工作, 对数据进行采集, 红外发射管A和红外发射管B分别平行安装在左边门框的内外两侧, 红外接收管A′、 红外接收管B′分别平行安装在右边门框的内外两侧, 射频识别模块安放在门框一侧。数据采集模块安装及数据采集模块位置分别如图2和表1所示。

图2 数据采集模块的安装

表1 数据采集模块位置

射频识别是利用射频通信实现的自动识别技术, 它无需接触即可对目标进行识别, 通过双向数据通信的方式获取数据[5-8]。当磁卡进入射频识别区域时, 卡内信息被读卡器读取, 通过串口将数据传送至主控器。红外传感器由发射端和接收端组成, 在工作过程中, 当发射管和接收管之间没有物体阻挡时, 传感器输出低电平信号, 一旦有物体通过即对传感器进行遮挡, 则其输出电平立即发生跳变, 产生一个上升沿[5]。此信号发送给主控器, 以确定人员进出方向。

2.2 主控器数据处理的防作弊设计

目前常用的学生卡门禁系统, 虽然免去了教师的点名负担, 但门禁系统只能记录学生进门时间, 并不能杜绝多人持一卡刷卡签到及一人持多卡刷卡签到的情况[9]。本系统的主控器对射频识别模块与红外传感器采集的数据进行综合处理, 实现了考勤系统的防作弊设计。

两对对射式红外传感器可判断人员进出状态[10]。将A、A′, B、B′两对对射式红外传感器平行安装在教室的出入口内、 外两侧, 当A、A′先于B、B′检测到高电平信号时, 表明所测人员为离开； 当B、B′先于A、A′检测到高电平信号时, 表明所测人员为进入。当人员进入, 处于A,B之间刷卡, 若刷卡成功且进入教室, 则红外传感器信号记为进入加1, 射频识别的刷卡信号记为加1, 则两路信号传送至主控器进行暂存。由主控器比较两路信号的记录初值, 若相同表明单人员正常进入, 进入人员计数总值加1, 并保存刷卡记录的人员信息、 人员信息记录累加值m及刷卡次数记录初值i。

当一人持多卡刷卡签到时, 红外传感器信号记为进入加1, 而射频识别的刷卡次数加i(i≥2), 主控器比较两路信号的记录初值, 若不同表明存在作弊现象, 暂存的i名人员数据信息显示在液晶屏幕上, 清除暂存的数据, 即此次刷卡的人员签到无效, 并发出蜂鸣提示, 人员计数总值加1。当m人持一卡刷卡签到时, 刷卡结束后, 主控器检测存储的刷卡人员信息。若存在相应人员信息记录累加值m≥2的情况时,则清除此人员的刷卡记录, 即此人签到无效, 并发出蜂鸣提示, 进入人员计数总值加m。主控器数据处理的防作弊工作情况如图3所示。

图3 数据处理的防作弊工作情况

2.3 无线传输模块的设计

为方便主控器与上位机系统进行通信, 系统通信采用射频模块nRF24L01进行无线传输。射频模块nRF24L01内部集成了基带处理器, 设备调试容易, 且数据传输速率较高, 通信距离长, 成本相对较低, 在接口与编程方面相对其他模块更加简单[11-13]。该部分设计以51系列单片机系统为主机控制核心模块, 实现下位机与上位机系统的无线传输, 无线传输模块硬件电路如图4所示。

a 发射电路

b 接收电路

3 软件设计与实现

3.1 主控器软件设计

图5 主控器程序流程图

系统选用STC12C5A60S2单片机为数据处理器, 采用C语言进行软件开发, 不仅使程序层次清晰, 便于使用、 维护和调试, 而且使软件具有应用广泛、 可移植性强等特点[14]。整个系统的程序采用子程序调用的模块化设计思想, 各子程序块设计相对独立, 便于后期的修改和调整。程序的流程如图5所示。

程序采用外部中断0和外部中断1的方式对红外传感器的信号进行控制, 根据两个传感器安装的位置决定两个中断被触发的先后顺序。当红外传感器接收到外部信号时, 进入中断服务子程序, 中断服务子程序处理结束后返回主程序。射频识别和显示部分的子程序在主程序中调用。主控器初始化之后通过红外传感器及射频模块进行信息采集, 数据经处理后送至显示模块进行实时显示并通过无线传输方式将数据发送至上位机系统。

3.2 上位机系统的设计

上位机系统的教室考勤系统软件采用VB进行开发设计。软件系统包括: 数据接口模块、 信息显示模块和考勤信息控制模块。

数据接口模块用于实现PC机与单片机的串口通信, 利用VB中的MSComm控件实现。MSComm控件是VB中的一个ActiveX控件, 提供了两种处理通信方式: 1) 事件驱动方式, 当串口发生事件或错误时, 该控件会产生OnComm事件, 用户程序可以捕获该事件进行相应处理; 2) 查询方式, 定时或不定时地在用户程序中查询该控件的某些属性是否发生变化, 从而进行相应处理[15]。此处使用了前一种处理通信方式。

信息显示模块用于显示PC机接收到的学生总人数及学生信息数据, 包括学生姓名、 学号、 平时成绩, 给出勤的同学加平时成绩分。此处利用VB中的Text控件实现信息显示。

考勤信息控制模块用于存储、 清除PC机接收的数据等。学生数据接收成功并显示后, 可对学生数据进行存储, 即保存成Excel文档, 方便教师查看并可通过每堂课考勤保存的成绩数据给定期末平时成绩。在VB中可以利用OLE技术访问Excel、 调用Excel的事件方法, 完成报表的制作[16]。微软的Excel对象模型中经常使用的4个对象有： ① Application对象, 它处于Excel对象层次结构的顶层, 表示Excel自身的运行环境； ② workbook对象, 它直接地处于Application对象的下层, 表示一个Excel工作簿文件； ③ worksheet对象, 它包含于workbook对象, 表示一个Excel工作表； ④ Range对象, 它包含于worksheet对象, 表示Excel工作表中的一个或多个单元格。在VB中可对这些对象进行直接控制, 实现数据的输出。程序中创建OLE对象实例、 定义初始化Excel对象的部分代码如下：

Dim Ex As Object

Dim ExBook As Object

Dim ExSheet As Object

Set Ex=CreateObject(“Excel.Application”)’创建并返回一个对ActiveX对象的引用

Set ExBook=Ex.Workbooks.Open(“C:UserslenovoDesktop平时成绩考察表.xls”, False)

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

ExSheet.Activate’激活工作表

Ex.Visible=True’Excel应用程序窗口显示方式设置

ExSheet.Range(“A1:U1”).Value=Array(“学号”,“姓名”,“平时成绩”)

此外, 还可根据实际需要添加其他功能模块。

4 测试与分析

将该系统的硬件装置安装在一教室门框上, 由51人组成的人流进行系统测试, 其中3人持一张卡(测试人2的卡)进入教室, 1人持2张卡(测试人6、7的卡)进入教室, 其余47人持自己卡进入教室。实验结果及软件界面如图6所示。

a 上位机软件界面 b 数据保存的Excel文档

由测试结果可看出, 系统能较精确地识别学生身份, 检测教室人流量, 真正起到了对一人持多卡代刷、 多人持一卡多刷等作弊现象的预防作用。

5 结 语

笔者研究的课堂考勤系统在软硬件上相对独立, 易于排查纠错, 且组件价格低廉、 易于获得, 降低了使用成本和后期维护成本, 使其应用范围更加广泛, 具有较强的推广性和实用性。该系统克服了传统考勤制度存在的多种缺点, 并通过在教室门口并排安装多套考勤装置, 实现了课堂考勤的自动化和高效化。教师能在上课前及时了解学生的出勤情况, 并能有效地杜绝代人出勤等现象, 对学生迟到、 旷课等情况起到监督作用； 随着高校招生规模的扩大, 班级人数的增加, 教师很难记住全部学生的姓名和相关信息。通过该系统, 在完成课堂考勤后, 教师能直观地了解到学生相关信息, 准确地选择出勤的学生进行提问, 并记录成绩等。对教学管理起到一定的帮助作用, 使教学管理工作更加细致和人性化。

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