基于STM32的多点课堂签到记录仪

唐文 易诗

摘要：设计一种基于STM32嵌入式处理器应用于高校课堂签到管理的记录仪。采用RFID技术识别学生卡内数据（学号，姓名），多个数据采集节点打卡签到，无线数据传输，接收端接收并记录多节点打卡数据，打卡时间，存储至SD卡内相应课程签到的EXCEL表格中，接收端配置可为U盘，利于存储表格的导出与更新。该多点考勤记录仪有效解决了传统课堂出勤管理的弊端，提高了教学管理效率。

关键词：STM32；RFID技术；多点打卡签到；无线数据传输；SD卡

中图分类号：TN919.5文献标识码：A

Multiple nodes class attendance recorder based on STM32

TangWenYiShi

College of Information Science and Technology，Chengdu University of TechnologySichuanChengdu610059

Abstract： Design a College class attendance management system based on STM32 embedded processor.Using RFID identification technology acquiring student ID card data （student ID， name）， multiple datanode acquisition， and wireless data transmission， the receiving end can receive and record multiple nodespunch card data， recording time，and those data will be stored in the EXCEL form in the SD card。Andthe receiving end can be configured as a USB flash disk， which is easy to update and export the storageform.This multiple nodes class attendance recorder can effectively solve the drawbacks of traditional class attendance management method ， and improve the efficiency of teaching management.

Key words：STM32； RFID technology； multiple data acquisition node in attendance； wireless data transmission； SD card

随着高校教育质量标准的提高，在校学生人数的日益增多，对课堂教育的要求也越来越高。课堂教育是高校教育的核心，但是由于部分学生缺乏自觉性，因此课堂的到课率普遍存在问题。

对于高校的学生到课管理，高校教师普遍采用学生按班级名单签到，课堂点名等方式，部分实验室配备网络环境的签到软件，学生可以在计算机上完成签到。以上签到方法各自存在不同的缺陷，按名单签到存在占用课堂时间，签到数据不便保存完整，代签到等问题。课堂点名存在占用课堂时间，耗费教师精力的问题。软件签到要求网络环境与计算机设备，无法进行无机房环境的理论课签到。

本文设计了一种基于嵌入式技术，无线通信技术的多点课堂签到记录仪，采用嵌入式处理器，接受多个节点的学生卡打卡签到数据，存储数据至SD卡指定格式的多个签到文件中，能够有效记录学生签到数据。系统构造简单，使用方便，成本低廉。该多点考勤记录仪，可以使考勤平台移动化，便携化，脱离网络环境，方便地记录课堂考勤。大幅提高课堂管理效率与学生的出勤率，有利于信息化，规范化地进行教学工作管理。

1 系统整体设计

本系统由两大部分组成：学生卡信息采集传输部分，信息接收存储，显示和控制部分。系统的主要框架如图1所示：

如图1所示，学生卡信息采集部分包括六个子节点，采用星型组网方式，分布于教室前排或每一排的入口位置，采集学生卡信息，识别到学号，姓名等数据后，卡信息采集节点通过无线通信模块发送打包好的数据信息。

针对六个卡信息采集发送节点，系统包括一个卡信息接收存储端，对每个节点发送的数据包进行接收，处理，存储，在信息接收端，还具备系统的显示，控制功能。

卡信息采集节点采用单片机控制RC522模块读取学生卡信息，使用无线通信模块NRF24L01发送卡内数据。数据接收存储端核心处理器采用STM32F103嵌入式处理器，通过无线通信模块接收数据，存储至外接SD卡内，系统的显示与控制采用UC/OS2操作系统在触摸屏上设计实现显示控制界面。

系统整体设计的创新点在于打破了传统课堂签到的多种不足。教室里可以设置多个卡信息采集传输节点，以便上课时间学生可以在任何设置的卡信息采集传输节点上签到，这样既不会占用过多的课堂时间也可以有效的监督同学的上课情况，同时也保证了数据的完整性。

2 系统硬件设计

2.1 学生卡信息采集传输部分硬件設计

系统一共有六个卡信息采集节点，以方便到课学生人数众多时多点打卡签到，每一个传输节点的硬件构架均为RFID读写卡模块+MCU+无线数据通信模块。

RFID读写卡模块采用RC522射频模块，MF RC522 是应用于13.56MHz 非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是NXP 公司针对“三表”应用推出的一款低 电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携 式手持设备研发的较好选择。在本系统中，使用RC522模块读取学生卡内学号与姓名数据发送至单片机，采用SPI接口与单片机进行数据通信。

MCU采用51单片机，中文字符型液晶12864显示学生打卡确认信息，并对学生卡信息进行整理，打包，便于无线发送。

无线数据通信模块采用NRF24L01模块，NRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“Shock Burst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。极低的电流消耗。在本系统中用于对打包好的学生卡信息的无线传输。

卡信息采集传输端硬件构架如图2所示：

2.2 信息接收存储端硬件设计

系统数据接收存储端核心处理器采用STM32F103VE嵌入式处理器，该处理器采用CORTEXM3内核，具有丰富的外设，例如：ADC转换器，DMA控制器，SPI接口，I2C接口，UART接口，USB2.0接口等，还具备功耗低，处理速度快等优点。广泛使用在仪器仪表，工业控制，智能家居，消费电子等。

本系统使用STM32处理器作为数据接收存储端核心处理器，可以方便地使用其SPI接口与NRF24L01通信，接收各个数据采集发送端的发送数据，STM32处理器具有专用的SDIO接口和库函数，将接收数据调整为固定格式后存入SD卡实现简便，另外USB2.0接口与固件支持将数据接收存储端设定为U盘模式，更加方便读取存储的学生签到数据，在信息接收存储端，显示与控制采用5英寸触摸屏，嵌入UC/OS2操作系统设计界面以完成显示和控制的功能。

信息接收存储端硬件构架为NRF24L01+STM32处理器+SD卡+触摸屏，另外USB接口支持将接收设备接入电脑作为U盘供读取数据与更新数据使用，如图3所示：

3 系统软件设计

3.1 卡信息采集传输部分软件设计

学生卡信息采集传输部分的软件设计主要分为以下几个步骤：①初始化系统，包括对RC522模块，NRF24L01模块，12864液晶的初始化。②RC522模块读取IC卡内寄存器数据，包括学生学号与姓名。③读取数据在MCU中调整格式，打包。④无线传输打包好的数据。⑤12864液晶显示打卡签到确认信息。软件流程图如图4所示：

3.2 信息接收存储端软件设计

信息接收存储端对各个采集节点数据进行接收，处理，存储，软件设计步骤主要分为：①初始化NRF24L01，分配中断为其接收数据。初始化SDIO接口，为存储数据准备，初始化触摸屏接口显示控制界面。②根据控制界面选择模式，在数据接收模式下根据控制选择存储课程名称，存储表格目录。在U盘模式下接入电脑，读取存储数据和更新存储表格。③调整数据格式，读取数据存储指针，存储数据，更新数据存储指针。软件流程图如图5所示：

3.3 显示控制界面设计

系统的显示与控制界面采用UC GUI在5寸触摸屏上实现操作界面，界面显示当前日期与时间，以及选择当前课程名称，U盘模式等。

界面最上端显示日期，时间的字符，中间调用LIST控件显示SD卡内部的所有EXCEL表格名称，每一表格对应一门课程，例如：当堂课为C++程序设计，那么选中LIST控件中该文件，签到数据即存储于SD内以C++程序设计为名称的EXCEL表格中，采用这样的操作方式使课堂签到记录十分简便有效，对签到数据的统计也更为方便。在界面最下方设计一個BUTTON控件为设置U盘模式，在U盘模式下可通过PC机以操作U盘的方式读取SD卡内所有EXCEL表格，更新相关课程的存储文件等。

4 系统测试

系统设计实现后，进行了完整的测试工作。分别从系统的信息采集、信息传输与接收、信息存储三个方面，进行终端功能和网络功能验证。同时，保持一定时间的待机状态以验证系统稳定性。

测试方案即将六个学生卡数据采集发送节点分散置于一个可容纳200人的大型讲座厅内。前排，中部，后排的座位入口处分别设置两个数据采集发送节点，在现代集成电路和嵌入式系统设计两门课程分别进行测试，参与测试人数125人。数据接收存储端分别选中6门不同的课程进行存储签到数据，完成打卡存储后，将数据接收存储端选作U盘模式接入电脑，读取相应EXCEL表格中的数据，部分测试结果如表1所示。

对该签到记录仪测试的两门课程中，均能在2分钟内，完成对全员125名学生的签到记录工作，将接收端的数据读取到计算机中，录入学生信息经核实均正确完整。在签到过程中，125名学生信息无误，6个终端皆能达到在0.3秒内识别成功，且同步发送到接收端。因采用2.4G无线通信模块，稳定性良好，在多个终端同时处理学生信息时能保持稳定收发工作，抗干扰能力良好。

5结论

相比课堂按名单签到，当堂点名，实验室上机签到等课堂签到方式，本系统具有多点签到打卡，数据保存完整，不占用课堂时间，安装简单等优势，在成都理工大学第六教学楼部分大型教室试用3个月期间系统运行稳定，方便了教务机构，学生管理机构对学生课堂出勤率的管理，为任课教师提供了平时成绩核算的重要依据。大大提高教学管理效率。

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基金项目：国家大学生创新创业项目，基于热成像仪的智能安防（编号：201710616131）负责人：唐文

作者简介：唐文（1996），女，四川遂宁人，本科；易诗（1983），男，四川成都人，硕士，主要从事信号与信息处理，嵌入式技术的研究。