唐文 易詩

摘要：設(shè)計一種基于STM32嵌入式處理器應(yīng)用于高校課堂簽到管理的記錄儀。采用RFID技術(shù)識別學(xué)生卡內(nèi)數(shù)據(jù)（學(xué)號，姓名），多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點打卡簽到，無線數(shù)據(jù)傳輸，接收端接收并記錄多節(jié)點打卡數(shù)據(jù)，打卡時間，存儲至SD卡內(nèi)相應(yīng)課程簽到的EXCEL表格中，接收端配置可為U盤，利于存儲表格的導(dǎo)出與更新。該多點考勤記錄儀有效解決了傳統(tǒng)課堂出勤管理的弊端，提高了教學(xué)管理效率。

關(guān)鍵詞：STM32；RFID技術(shù)；多點打卡簽到；無線數(shù)據(jù)傳輸；SD卡

中圖分類號：TN919.5文獻標識碼：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

隨著高校教育質(zhì)量標準的提高，在校學(xué)生人數(shù)的日益增多，對課堂教育的要求也越來越高。課堂教育是高校教育的核心，但是由于部分學(xué)生缺乏自覺性，因此課堂的到課率普遍存在問題。

對于高校的學(xué)生到課管理，高校教師普遍采用學(xué)生按班級名單簽到，課堂點名等方式，部分實驗室配備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的簽到軟件，學(xué)生可以在計算機上完成簽到。以上簽到方法各自存在不同的缺陷，按名單簽到存在占用課堂時間，簽到數(shù)據(jù)不便保存完整，代簽到等問題。課堂點名存在占用課堂時間，耗費教師精力的問題。軟件簽到要求網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與計算機設(shè)備，無法進行無機房環(huán)境的理論課簽到。

本文設(shè)計了一種基于嵌入式技術(shù)，無線通信技術(shù)的多點課堂簽到記錄儀，采用嵌入式處理器，接受多個節(jié)點的學(xué)生卡打卡簽到數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)至SD卡指定格式的多個簽到文件中，能夠有效記錄學(xué)生簽到數(shù)據(jù)。系統(tǒng)構(gòu)造簡單，使用方便，成本低廉。該多點考勤記錄儀，可以使考勤平臺移動化，便攜化，脫離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，方便地記錄課堂考勤。大幅提高課堂管理效率與學(xué)生的出勤率，有利于信息化，規(guī)范化地進行教學(xué)工作管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)由兩大部分組成：學(xué)生卡信息采集傳輸部分，信息接收存儲，顯示和控制部分。系統(tǒng)的主要框架如圖1所示：

如圖1所示，學(xué)生卡信息采集部分包括六個子節(jié)點，采用星型組網(wǎng)方式，分布于教室前排或每一排的入口位置，采集學(xué)生卡信息，識別到學(xué)號，姓名等數(shù)據(jù)后，卡信息采集節(jié)點通過無線通信模塊發(fā)送打包好的數(shù)據(jù)信息。

針對六個卡信息采集發(fā)送節(jié)點，系統(tǒng)包括一個卡信息接收存儲端，對每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行接收，處理，存儲，在信息接收端，還具備系統(tǒng)的顯示，控制功能。

卡信息采集節(jié)點采用單片機控制RC522模塊讀取學(xué)生卡信息，使用無線通信模塊NRF24L01發(fā)送卡內(nèi)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收存儲端核心處理器采用STM32F103嵌入式處理器，通過無線通信模塊接收數(shù)據(jù)，存儲至外接SD卡內(nèi)，系統(tǒng)的顯示與控制采用UC/OS2操作系統(tǒng)在觸摸屏上設(shè)計實現(xiàn)顯示控制界面。

系統(tǒng)整體設(shè)計的創(chuàng)新點在于打破了傳統(tǒng)課堂簽到的多種不足。教室里可以設(shè)置多個卡信息采集傳輸節(jié)點，以便上課時間學(xué)生可以在任何設(shè)置的卡信息采集傳輸節(jié)點上簽到，這樣既不會占用過多的課堂時間也可以有效的監(jiān)督同學(xué)的上課情況，同時也保證了數(shù)據(jù)的完整性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 學(xué)生卡信息采集傳輸部分硬件設(shè)計

系統(tǒng)一共有六個卡信息采集節(jié)點，以方便到課學(xué)生人數(shù)眾多時多點打卡簽到，每一個傳輸節(jié)點的硬件構(gòu)架均為RFID讀寫卡模塊+MCU+無線數(shù)據(jù)通信模塊。

RFID讀寫卡模塊采用RC522射頻模塊，MF RC522 是應(yīng)用于13.56MHz 非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是NXP 公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低 電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜 式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。在本系統(tǒng)中，使用RC522模塊讀取學(xué)生卡內(nèi)學(xué)號與姓名數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機，采用SPI接口與單片機進行數(shù)據(jù)通信。

MCU采用51單片機，中文字符型液晶12864顯示學(xué)生打卡確認信息，并對學(xué)生卡信息進行整理，打包，便于無線發(fā)送。

無線數(shù)據(jù)通信模塊采用NRF24L01模塊，NRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“Shock Burst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進行設(shè)置。極低的電流消耗。在本系統(tǒng)中用于對打包好的學(xué)生卡信息的無線傳輸。

卡信息采集傳輸端硬件構(gòu)架如圖2所示：

2.2 信息接收存儲端硬件設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收存儲端核心處理器采用STM32F103VE嵌入式處理器，該處理器采用CORTEXM3內(nèi)核，具有豐富的外設(shè)，例如：ADC轉(zhuǎn)換器，DMA控制器，SPI接口，I2C接口，UART接口，USB2.0接口等，還具備功耗低，處理速度快等優(yōu)點。廣泛使用在儀器儀表，工業(yè)控制，智能家居，消費電子等。

本系統(tǒng)使用STM32處理器作為數(shù)據(jù)接收存儲端核心處理器，可以方便地使用其SPI接口與NRF24L01通信，接收各個數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32處理器具有專用的SDIO接口和庫函數(shù)，將接收數(shù)據(jù)調(diào)整為固定格式后存入SD卡實現(xiàn)簡便，另外USB2.0接口與固件支持將數(shù)據(jù)接收存儲端設(shè)定為U盤模式，更加方便讀取存儲的學(xué)生簽到數(shù)據(jù)，在信息接收存儲端，顯示與控制采用5英寸觸摸屏，嵌入UC/OS2操作系統(tǒng)設(shè)計界面以完成顯示和控制的功能。

信息接收存儲端硬件構(gòu)架為NRF24L01+STM32處理器+SD卡+觸摸屏，另外USB接口支持將接收設(shè)備接入電腦作為U盤供讀取數(shù)據(jù)與更新數(shù)據(jù)使用，如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 卡信息采集傳輸部分軟件設(shè)計

學(xué)生卡信息采集傳輸部分的軟件設(shè)計主要分為以下幾個步驟：①初始化系統(tǒng)，包括對RC522模塊，NRF24L01模塊，12864液晶的初始化。②RC522模塊讀取IC卡內(nèi)寄存器數(shù)據(jù)，包括學(xué)生學(xué)號與姓名。③讀取數(shù)據(jù)在MCU中調(diào)整格式，打包。④無線傳輸打包好的數(shù)據(jù)。⑤12864液晶顯示打卡簽到確認信息。軟件流程圖如圖4所示：

3.2 信息接收存儲端軟件設(shè)計

信息接收存儲端對各個采集節(jié)點數(shù)據(jù)進行接收，處理，存儲，軟件設(shè)計步驟主要分為：①初始化NRF24L01，分配中斷為其接收數(shù)據(jù)。初始化SDIO接口，為存儲數(shù)據(jù)準備，初始化觸摸屏接口顯示控制界面。②根據(jù)控制界面選擇模式，在數(shù)據(jù)接收模式下根據(jù)控制選擇存儲課程名稱，存儲表格目錄。在U盤模式下接入電腦，讀取存儲數(shù)據(jù)和更新存儲表格。③調(diào)整數(shù)據(jù)格式，讀取數(shù)據(jù)存儲指針，存儲數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)存儲指針。軟件流程圖如圖5所示：

3.3 顯示控制界面設(shè)計

系統(tǒng)的顯示與控制界面采用UC GUI在5寸觸摸屏上實現(xiàn)操作界面，界面顯示當前日期與時間，以及選擇當前課程名稱，U盤模式等。

界面最上端顯示日期，時間的字符，中間調(diào)用LIST控件顯示SD卡內(nèi)部的所有EXCEL表格名稱，每一表格對應(yīng)一門課程，例如：當堂課為C++程序設(shè)計，那么選中LIST控件中該文件，簽到數(shù)據(jù)即存儲于SD內(nèi)以C++程序設(shè)計為名稱的EXCEL表格中，采用這樣的操作方式使課堂簽到記錄十分簡便有效，對簽到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計也更為方便。在界面最下方設(shè)計一個BUTTON控件為設(shè)置U盤模式，在U盤模式下可通過PC機以操作U盤的方式讀取SD卡內(nèi)所有EXCEL表格，更新相關(guān)課程的存儲文件等。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)后，進行了完整的測試工作。分別從系統(tǒng)的信息采集、信息傳輸與接收、信息存儲三個方面，進行終端功能和網(wǎng)絡(luò)功能驗證。同時，保持一定時間的待機狀態(tài)以驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

測試方案即將六個學(xué)生卡數(shù)據(jù)采集發(fā)送節(jié)點分散置于一個可容納200人的大型講座廳內(nèi)。前排，中部，后排的座位入口處分別設(shè)置兩個數(shù)據(jù)采集發(fā)送節(jié)點，在現(xiàn)代集成電路和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計兩門課程分別進行測試，參與測試人數(shù)125人。數(shù)據(jù)接收存儲端分別選中6門不同的課程進行存儲簽到數(shù)據(jù)，完成打卡存儲后，將數(shù)據(jù)接收存儲端選作U盤模式接入電腦，讀取相應(yīng)EXCEL表格中的數(shù)據(jù)，部分測試結(jié)果如表1所示。

對該簽到記錄儀測試的兩門課程中，均能在2分鐘內(nèi)，完成對全員125名學(xué)生的簽到記錄工作，將接收端的數(shù)據(jù)讀取到計算機中，錄入學(xué)生信息經(jīng)核實均正確完整。在簽到過程中，125名學(xué)生信息無誤，6個終端皆能達到在0.3秒內(nèi)識別成功，且同步發(fā)送到接收端。因采用2.4G無線通信模塊，穩(wěn)定性良好，在多個終端同時處理學(xué)生信息時能保持穩(wěn)定收發(fā)工作，抗干擾能力良好。

5結(jié)論

相比課堂按名單簽到，當堂點名，實驗室上機簽到等課堂簽到方式，本系統(tǒng)具有多點簽到打卡，數(shù)據(jù)保存完整，不占用課堂時間，安裝簡單等優(yōu)勢，在成都理工大學(xué)第六教學(xué)樓部分大型教室試用3個月期間系統(tǒng)運行穩(wěn)定，方便了教務(wù)機構(gòu)，學(xué)生管理機構(gòu)對學(xué)生課堂出勤率的管理，為任課教師提供了平時成績核算的重要依據(jù)。大大提高教學(xué)管理效率。

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基金項目：國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，基于熱成像儀的智能安防（編號：201710616131）負責(zé)人：唐文

作者簡介：唐文（1996），女，四川遂寧人，本科；易詩（1983），男，四川成都人，碩士，主要從事信號與信息處理，嵌入式技術(shù)的研究。