基于ZigBee的智能點名系統(tǒng)設(shè)計

王桂蘭，索怡宣，郭萬民，尹輝娟，孫 朋，王 鑫

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

基于ZigBee的智能點名系統(tǒng)設(shè)計

王桂蘭，索怡宣，郭萬民，尹輝娟，孫 朋，王 鑫

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

考勤點名是高校管理工作中不可缺少的一部分。但是，傳統(tǒng)點名存在耗時長、數(shù)據(jù)易丟失等問題。文章從實際需求出發(fā)，設(shè)計了一款基于ZigBee的低成本高效智能考勤管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三大模塊組成：RFID模塊、重力傳感器模塊和ZigBee模塊，應(yīng)用刷校園卡和傳感器測體重兩者相結(jié)合的方式將點名實現(xiàn)智能化。結(jié)果表明，該系統(tǒng)較人工考勤方式在效率上存在顯著優(yōu)勢，可以推廣使用。

智能點名系統(tǒng)；ZigBee；傳感器數(shù)據(jù)采集；星型組網(wǎng)

1 考勤系統(tǒng)研究背景

上課出勤是考核學(xué)生的重要部分，學(xué)校各院系及輔導(dǎo)員通過了解和掌握學(xué)生的出勤情況，來加強對學(xué)生的教育和管理。經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查研究及自身經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)大部分高校依舊采用課堂上點名答到、寫紙條、挨個清查人數(shù)的方式在課堂上進行點名[1]。傳統(tǒng)的點名方式不僅效率低，浪費時間，而且當(dāng)人數(shù)較多時不能全面地記錄上課的學(xué)生信息，造成考勤數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，若紙質(zhì)簽到簿丟失，那么考勤情況也無從考證，而且也不能做到每次課都點名，無法全面地追蹤課程的整個過程。所以為了解決目前考勤制度工作中存在的種種弊端，提高考勤數(shù)據(jù)的真實性，更好地保存保管考勤數(shù)據(jù)，筆者決定研究一款合適的點名系統(tǒng)。本設(shè)計是基于ZigBee和傳感器技術(shù)的點名系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠輔助老師上課點名，不但可以節(jié)省課堂時間，還能高效地記錄學(xué)生出勤情況。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由三大模塊組成：讀卡器裝置模塊、重力傳感器模塊、ZigBee模塊。重力傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測學(xué)生的體重，ZigBee模塊負(fù)責(zé)判斷體重是否超過預(yù)設(shè)值，讀卡器裝置模塊負(fù)責(zé)通過刷校園卡來識別校園卡上的學(xué)號，確定是哪個學(xué)生。

當(dāng)學(xué)生進入教室后，先在讀卡器上刷校園卡，根據(jù)刷校園卡的次數(shù)依次產(chǎn)生號碼，學(xué)生根據(jù)號碼坐到相應(yīng)位置上，然后重力傳感器開始檢測重力是否超過35 kg（為防止借助小型重物產(chǎn)生的重量來提供錯誤數(shù)據(jù))且對座位承重定時（8：30，9：30，10：30，11:30，14:30等）檢測，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳到ZigBee結(jié)點，每個ZigBee結(jié)點再將數(shù)據(jù)傳到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器與無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）讀卡器共同作用將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進行記錄并將數(shù)據(jù)上傳到考勤數(shù)據(jù)庫（若遇到請假或者丟失校園卡等情況，教師可根據(jù)實際情況對考勤數(shù)據(jù)庫進行信息修改）。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 Zigbee模塊

每個教室里都有許多座位，如果采用CC1101無線收發(fā)模塊等進行通信，各座位裝置之間必會產(chǎn)生干擾。為了解決此問題，本設(shè)計采用了基于CC2530的Zigbee模塊，ZigBee節(jié)點在工作時，每次以小速率傳送數(shù)據(jù)，信號收發(fā)時間間隔也短；當(dāng)ZigBee節(jié)點不工作時，會進入休眠狀態(tài)，可以節(jié)省電池電量的消耗，電池的使用壽命變長，這對于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低有很大作用[2]。Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與重力傳感器模塊連接圖如圖2所示。

圖2 Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與重力傳感器模塊連接示意

3.2 重力傳感器模塊

重力傳感器，是一種使用非常廣泛的傳感器，在軍工、航空航天、水利水電、機械、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，就其發(fā)展而言，有應(yīng)變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器3種，三者三分天下，在使用上各有特點，以便適應(yīng)不同的實際需求。

那么根據(jù)設(shè)計要求及需求分析，本系統(tǒng)中決定采用HX711系列應(yīng)變式壓力傳感器，該型傳感器利用彈性敏感元件以及應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化。內(nèi)置24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，因而具有靈敏度好、精度高、可靠性好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)良、工作溫度范圍寬等特點，可謂專為高精度稱重傳感器而設(shè)計，其A/D轉(zhuǎn)換模塊集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等外圍電路，采用的24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片，賦予整個模塊兩路輸入模擬通道，內(nèi)部則集成了128倍增益可編程放大器[3]。

基于以上特點，本系統(tǒng)中選用應(yīng)變式壓力傳感器作為系統(tǒng)終端傳感器，負(fù)責(zé)收集重力數(shù)據(jù)，量程選擇0～800 N，有力地確保了數(shù)據(jù)收集部分的可靠性！因而從某種意義上講，HX711系列應(yīng)變式壓力傳感器也可作為一款理想的精度高且價格低的前端采樣模塊。

3.3 RFID模塊

RFID是以射頻信號為載體進行雙向通信并最終達(dá)到識別目標(biāo)對象的一種識別技術(shù)[4]。雖然超高頻標(biāo)簽工作頻率高，監(jiān)測距離遠(yuǎn)（在4～6米處都能識別到），但是出于成本和實際應(yīng)用方面考慮，此次采用的是高頻系統(tǒng)，其標(biāo)簽工作頻率為13.56 MHz，校園卡必須位于閱讀器的近場區(qū)（一般為5～10厘米），一般以無源為主。

針對低效率的傳統(tǒng)課堂點名方式和刷卡出勤率不能即時獲取的情況，本方案提出了一種基于高頻無源RFID的考勤系統(tǒng)：通過具有唯一識別特性的RFID來判斷持卡人是否出勤；采用基于傳感器測重的方法，計算出持卡人是否入座，排除一人持多卡的現(xiàn)象。實現(xiàn)了對課堂到課情況的實時高效點名和考勤手段的信息化。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）保持系統(tǒng)一直處于休眠狀態(tài)，學(xué)生刷卡即開啟。（2）學(xué)生刷卡后產(chǎn)生座位號，根據(jù)號碼并入座，對應(yīng)的位置讀卡器重力傳感器定時獲取數(shù)據(jù)。（3）判斷數(shù)據(jù)的合法性，并作出相應(yīng)處理。（4）計算兩個數(shù)據(jù)的聯(lián)合效果，如果為0則返回2，否則繼續(xù)。（5）更新學(xué)生考勤數(shù)據(jù)庫，并同步到系統(tǒng)終端以及學(xué)?？记诒O(jiān)測平臺。軟件流程（協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點）如圖3所示。

5 結(jié)語

本文描述了一個新的教學(xué)輔助系統(tǒng)—智能點名系統(tǒng)。此系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：應(yīng)用刷校園卡和傳感器測體重兩者相結(jié)合的技術(shù)將常規(guī)的點名實現(xiàn)了電子化，并將考勤結(jié)果傳入學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的校園卡信息早就被錄入學(xué)校系統(tǒng)中，省略了重新建立一個系統(tǒng)的龐大任務(wù)，并且首次利用傳感器測重來判斷是否有人，縮短了非教學(xué)時間，具有較強的實用性和開發(fā)價值。

圖3 軟件流程

[1]王海鷗，徐剛.高校課堂點名制度研究[J].考試周刊，2012（42）：168.

[2]ALLIANCE Z B. ZigBee Specification[J].Network and Computer Applications, 2007（2）：33-35.

[3]王曉娟.基于HX711數(shù)顯稱重儀的設(shè)計[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015（1）：36-38.

[4]LARMAN C.UML和模式應(yīng)用：面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計導(dǎo)論[M].姚淑珍，李虎，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

Design of intelligent roll call system based on ZigBee

Wang Guilan, Suo Yixuan, Guo Wanmin, Yin Huijuan, Sun Peng, Wang Xin
（Information Science and Technology School of Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China）

Checking attendance is an indispensable part of the university management work. However, there exists problems like time-consuming and data is easy to lose and so on in traditional checking attendance.This article embarks from the actual demand, anin expensive, efficient and intelligent system for checking attendance based on ZigBee is designed. The system consists of three parts, Radio Frequency Identification device, gravity sensor module and ZigBee module, applying the combination of the brush campus card and the sensor measuring weight to realize the intelligent. The results show that the system is more regnant than the manual attendance in efficiency and can be used extensively.

intelligent roll call system; ZigBee; sensor data acquisition; star network

王桂蘭（1995— ），女，河北滄縣；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。