基于單片機(jī)的無(wú)線簽到系統(tǒng)

楊登輝,齊曉松,于淼,朱少光,左現(xiàn)剛,賈蒙

（1.河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)53003）

基于單片機(jī)的無(wú)線簽到系統(tǒng)

楊登輝1,齊曉松1,于淼1,朱少光1,左現(xiàn)剛1,賈蒙2

（1.河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)53003）

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的無(wú)線簽到系統(tǒng).系統(tǒng)以單片機(jī)為信息采集與處理核心,智能手機(jī)為應(yīng)用與控制平臺(tái),結(jié)合利用WIFI模塊、GSM模塊、RFID射頻模塊、指紋識(shí)別模塊、語(yǔ)音模塊、LCD顯示模塊、SD卡模塊、時(shí)鐘模塊等形成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),并具有手機(jī)App遠(yuǎn)程調(diào)控與查看功能,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線簽到的智能化和便捷化.

FRID；無(wú)線簽到；Android；手機(jī)APP

隨著RFID及嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能化手機(jī)軟件給我們的生活帶來(lái)了諸多便利[1].在社會(huì)生活中,簽到系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在大眾生活的方方面面[2],如會(huì)議簽到[3]、職工簽到、學(xué)生簽到、會(huì)員考勤等.但目前簽到系統(tǒng)在成本控制及便利性、安全性等方面存在著諸多的弊端[4].本文利用無(wú)線嵌入設(shè)備結(jié)合智能云及安卓手機(jī)設(shè)計(jì)了一種便利、智能、低成本、高效化的無(wú)線簽到系統(tǒng).

1 簽到系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用硬件+軟件+云服務(wù)器相結(jié)合的設(shè)計(jì),系統(tǒng)框圖如圖1所示.系統(tǒng)底層采用微處理器MCU控制的單片機(jī)硬件系統(tǒng),用于用戶簽到信息的采集.向上是手機(jī)軟件部分,手機(jī)作為多元信息交互的載體[5],方便信息采集的展示及簽到系統(tǒng)的控制.云服務(wù)器是單片機(jī)硬件部分與手機(jī)軟件部分相結(jié)合的物理載體,通過(guò)相應(yīng)的API接口和云服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互及處理.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

與傳統(tǒng)簽到系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)采用RFID射頻卡,通過(guò)指紋識(shí)別的方式簽到,且硬件部分完全獨(dú)立設(shè)計(jì),只需提供供電設(shè)備及所需聯(lián)網(wǎng)環(huán)境即可工作,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步云端,手機(jī)端方便查看簽到信息及控制底層簽到系統(tǒng)的開發(fā)與關(guān)閉[6].

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由單片機(jī)、LCD顯示器、GSM模塊、WIFI模塊、RFID射頻模塊、RFID射頻卡、指紋識(shí)別模塊、語(yǔ)音模塊、SD卡模塊等組成.架構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware system architecture

2.1 單片機(jī)硬件最小電路

單片機(jī)硬件電路采用ATMEGA328P-PU為MCU,該芯片是由Atmel公司開發(fā)的八位元AVR精簡(jiǎn)指令型微控制器.具有高性能、低功耗、RISC架構(gòu)先進(jìn)、內(nèi)存段高耐用非易失等優(yōu)點(diǎn).上電復(fù)位和可編程欠壓檢測(cè),內(nèi)部振蕩校準(zhǔn),具備多種睡眠模式.其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖3 最小系統(tǒng)框圖Fig.3 Minimum system block diagram

2.2 指紋識(shí)別模塊

指紋處理包括兩部分,指紋登記和指紋匹配（匹配可以是1∶1或1∶N）.登記時(shí),用戶需要輸入指紋兩次.系統(tǒng)處理兩個(gè)時(shí)間的手指圖像,生成基于處理結(jié)果的手指模板和存儲(chǔ)模板.當(dāng)進(jìn)行匹配動(dòng)作時(shí),用戶指紋通過(guò)光學(xué)傳感器輸入,生成手指的模板與系統(tǒng)的手指文庫(kù)模板進(jìn)行比較[7].對(duì)于1∶1配套,系統(tǒng)將要比較的模板與特定的手指模板進(jìn)行比對(duì)；對(duì)于1∶N的匹配,當(dāng)搜索時(shí),系統(tǒng)會(huì)搜索整個(gè)手指庫(kù)的手指模板.在這兩種情況下,系統(tǒng)將返回成功或失敗的匹配結(jié)果.

指紋模塊與單片機(jī)系統(tǒng)通信方式為串口通信,模塊屬于Slavemode,host通過(guò)串口給模塊發(fā)送不同的指令讓模塊做出不同的響應(yīng),以達(dá)到控制的功能,指紋模塊的應(yīng)答動(dòng)作及數(shù)據(jù)交換格式都是按照規(guī)定的數(shù)據(jù)包進(jìn)行響應(yīng)的[8].主機(jī)指令包/數(shù)據(jù)包格式為廠商自行定義,可分為3類：①命令包,包標(biāo)識(shí)=01；②數(shù)據(jù)包,且有后續(xù)包,包標(biāo)識(shí)=02；③結(jié)束包,包標(biāo)識(shí)=08.指令應(yīng)答是將模塊執(zhí)行的結(jié)果和狀態(tài)反饋于主機(jī),應(yīng)答命令包含參數(shù),后面可以跟后續(xù)數(shù)據(jù)包.命令包、數(shù)據(jù)包、結(jié)束包和指令應(yīng)答包格式分別如表1至表4所示.

表1 命令包格式Tab.1 Command package format

表2 數(shù)據(jù)包格式Tab.2 Packet format

表3 結(jié)束包格式Tab.3 End the package format

表4 指令應(yīng)答格式Tab.4 Instruction response format

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊由WIFI模塊和GSM模塊組成.

WIFI是一個(gè)基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù).系統(tǒng)中WIFI模塊采用ESP8266芯片模塊, ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案,能夠獨(dú)立運(yùn)行,也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行,支持station、softAP、station+softAP共存3種模式[9],具有價(jià)格低廉、組網(wǎng)方便快捷且靈活、能夠獨(dú)立運(yùn)行、較好的數(shù)據(jù)傳輸率與系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn).

GSM（globalsystem formobile communication）即全球移動(dòng)通信系統(tǒng),世界多數(shù)的手機(jī)都采用該系統(tǒng). GSM模塊實(shí)際上是一個(gè)GSM調(diào)制解調(diào)器,具有850/900/1 800/1 900MHz4種工作頻率.

WIFI模塊采用串口通信的方式與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.ESP8266支持AT指令集,即Attention,單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)UART向WIFI模塊發(fā)送相應(yīng)的AT命令[10],控制WIFI模塊不同工作模式.本系統(tǒng)使用AT指令有：“AT”檢測(cè)模塊是否成功連接；“AT+CWMODE”查詢工作模式；“AT+CWJAP”加入AP；“AT+CIPSTART”連接服務(wù)器；“AT+CIPSEND”發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度.每個(gè)AT指令執(zhí)行完畢后,執(zhí)行單位均會(huì)返回一個(gè)狀態(tài)值,有“OK”、“ERROR”、和命令相關(guān)的錯(cuò)誤原因字符串三種情況.

GSM模塊與WIFI模塊連接方式相同,均通過(guò)串口方式連接MCU,且同樣運(yùn)用AT指令進(jìn)行控制.

2.4 RFID模塊

RFID（radio frequency identification）射頻技術(shù),又稱無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù),是使用無(wú)線電波來(lái)自動(dòng)識(shí)別人或物體的技術(shù)的總稱.RFID有幾種識(shí)別方法,最常見的是存儲(chǔ)一個(gè)序列號(hào),標(biāo)識(shí)一個(gè)人或?qū)ο?也可識(shí)別其他序列號(hào)的信息,其卡片內(nèi)部有一個(gè)微芯片連接天線,芯片和天線一起被稱為RFID應(yīng)答器和RFID標(biāo)簽.該天線使芯片能夠?qū)⒆R(shí)別信息發(fā)送給讀取器,讀取器將RFID標(biāo)簽反射回來(lái)的無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,然后將這些信息傳遞給微控制器加以利用[11].

RFID射頻讀卡器原理圖如圖4所示.

圖4 射頻讀卡器原理Fig.4 RFcard readerschematic

卡讀寫設(shè)備（讀寫器）是連接RFID卡與應(yīng)用系統(tǒng)間的橋梁,其基本任務(wù)是啟動(dòng)RFID卡,并與RFID卡片建立通信連接,主要在單片機(jī)等應(yīng)用系統(tǒng)中傳遞數(shù)據(jù).讀寫系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)組成如圖5所示.

圖5 讀寫系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)組成Fig.5 Theequipmentarchitectureof read and write system

RFID讀寫模塊與MCU采用SPI通信方式,其通信接口為SDI、SDO、SCLK、CS.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

云服務(wù)器應(yīng)用采用IC2Cloud提供的視覺(jué)語(yǔ)言,語(yǔ)言塊具有自我解釋功能.硬件設(shè)備通過(guò)WIFI模塊/ GSM模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)中,通過(guò)相應(yīng)的API接口向服務(wù)器發(fā)送和接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令.所有API調(diào)用時(shí)首先進(jìn)行HTTP基本認(rèn)證,授權(quán)頭的結(jié)構(gòu)如下：①用戶名和密碼,合并成一個(gè)字符串“用戶名：密碼”；②將得到的RFC2045-MIME編碼轉(zhuǎn)變?yōu)锽ase64編碼的字符串；③將授權(quán)方法和一個(gè)空間即“基本”放在編碼字符串之前.相應(yīng)接口使用方法說(shuō)明如下：

Set：設(shè)置一組信號(hào)的值.

Push：更新在隊(duì)列的一組信號(hào)的值,如圖6所示.

圖6 更新隊(duì)列值Fig.6 Update the queue value

Get：得到的一組信號(hào)的值.

Pop：取隊(duì)列中的值設(shè)置成一組信號(hào)值,如圖7所示.

圖7 取隊(duì)列值Fig.7 Take the queue value

Peek：取隊(duì)列中的值設(shè)置成一組信號(hào)值,和pop返回值的方法相同,但沒(méi)有提取隊(duì)列中的值,如圖8所示.

圖8 復(fù)制隊(duì)列值Fig.8 Copy the queue value

Popall：取隊(duì)列中的值設(shè)置成一組信號(hào)值,并且清除隊(duì)列；

Peekall：取隊(duì)列中的值設(shè)置成一組信號(hào)值,返回popall方法一樣的值,但沒(méi)有清除隊(duì)列中的值.

3.2 Android界面

Android是一種操作系統(tǒng),主要使用于移動(dòng)設(shè)備,其基于Linux內(nèi)核的開放源代碼,由Google的Open HandsetAlliance領(lǐng)導(dǎo)與持續(xù)開發(fā).采用Android studio進(jìn)行Android軟件開發(fā).

Android軟件開發(fā)對(duì)開發(fā)者而言功能完備,可以應(yīng)對(duì)各種項(xiàng)目的調(diào)試與開發(fā).本系統(tǒng)中Android軟件為管理方,在簽到系統(tǒng)中是不可分割的部分,它主要提供友好、方便的操作界面,并完成簽到系統(tǒng)中所需功能[12],設(shè)計(jì)完成后的軟件主界面如圖9所示.

圖9 用戶手機(jī)APP軟件主界面Fig.9 APPsoftwaremain interface ofuserphone

軟件系統(tǒng)直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端API接口與云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行交互,確保了用戶簽到數(shù)據(jù)的正確性和唯一性.相應(yīng)API接口由第三方服務(wù)提供.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證簽到系統(tǒng)的可行性、可靠性、實(shí)用性,以河南科技學(xué)院某班級(jí)學(xué)生為對(duì)象,對(duì)學(xué)生簽到情況進(jìn)行自動(dòng)化控制測(cè)試和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).下位機(jī)系統(tǒng)初始化階段,通過(guò)連接到MCU處理器上的按鍵選擇WIFI聯(lián)網(wǎng)模式,單片機(jī)接收到簽到信息,處理數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器傳輸至手機(jī)移動(dòng)端,并結(jié)合手機(jī)安卓端的微數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)記錄簽到人的信息、簽到次數(shù)、簽到時(shí)間等數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)同步云平臺(tái)[13].簽到信息統(tǒng)計(jì)如圖10所示.

圖10 簽到信息統(tǒng)計(jì)Fig.10 Sign in information statistics

由圖10中數(shù)據(jù)可知,移動(dòng)端實(shí)時(shí)顯示了用戶當(dāng)天簽到狀態(tài)由紅色（注：淺色）標(biāo)記轉(zhuǎn)為黑色標(biāo)記,當(dāng)天簽到完成,數(shù)據(jù)庫(kù)記錄簽到時(shí)間與簽到總次數(shù).經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)使用便捷、穩(wěn)定可靠.

5 小結(jié)

本文利用硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和與云服務(wù)器相結(jié)合設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線簽到平臺(tái),該簽到系統(tǒng)具有成本低廉、用戶體驗(yàn)性良好、簽到過(guò)程方便快捷、簽到信息實(shí)時(shí)同步、數(shù)據(jù)管理及控制高效等優(yōu)點(diǎn),具有較好的市場(chǎng)前景.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

W ireless check-in system based on MCU

YANG Denghui1,QIXiaosong1,YU Miao1,ZHU Shaoguang1,ZUO Xian'gang1,JIA Meng2
（1.Schoolof Information Engineering,Henan Instituteof Scienceand Technology,Xinxiang453003, China；2.Schoolof Electrical Engineering,Xinxiang College,Xinxiang 453003,China）

A wireless sign-on system based on single-chip microcomputer was designed in this paper.The singlechip microcomputer was used as the information acquisition and processing core of the sign-in system.The smart phone was used as the application and control platform of the system.The WIFImodule,the GSM module,the RFID module,recognition module,voice module,LCD display module,SD card module,the clock module were used to form the system hardware structure,and the system had mobile phone App remote control and view function,to achieve a wireless sign to the intelligentand convenient.

FRID；wireless sign；Android；mobile APP

TP273.5

A

1008-7516（2017）03-0072-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.012

2017-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61501391）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（172102210083）

楊登輝（1994—）,男,河南周口人,本科生.

左現(xiàn)剛（1976—）,男,河南開封人,講師.主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究.