基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李新春， 魏 武， 賈寶山， 紀(jì)小璐， 彭成萬(wàn)里

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

考勤系統(tǒng)是用于考核和記錄被考核人員是否按時(shí)出勤的管理系統(tǒng)，最初是為企業(yè)所設(shè)計(jì)[1]，而后被高校引進(jìn)用于學(xué)生考勤，考勤結(jié)果作為教師評(píng)價(jià)學(xué)生日常表現(xiàn)、學(xué)校掌握學(xué)生上課狀況以及分析改進(jìn)教學(xué)方向的重要依據(jù)。

目前，大多數(shù)高校采用教師點(diǎn)名方式考勤，不僅效率過(guò)低，而且不可避免存在代替答到的現(xiàn)象。為彌補(bǔ)點(diǎn)名考勤方式的不足，引入射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)考勤，以射頻卡作為學(xué)生身份標(biāo)志，此方式提高了考勤效率，卻因需要攜帶射頻卡而產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。為此，市面上出現(xiàn)了指紋、人臉識(shí)別等新一代考勤機(jī)，雖大大提高了識(shí)別準(zhǔn)確率和考勤效率，但成本高昂、操作復(fù)雜，且前期信息錄入耗時(shí)長(zhǎng)[2]。針對(duì)課堂這種人員密度大、空間狹小的應(yīng)用場(chǎng)景，全球定位系統(tǒng)(GPS)和藍(lán)牙考勤技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但GPS在室內(nèi)空間定位準(zhǔn)確率較低，而藍(lán)牙在室內(nèi)環(huán)境下卻有穩(wěn)定表現(xiàn)。此外，市場(chǎng)現(xiàn)有考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸都是基于WiFi，但不支持局域網(wǎng)，而高校大多有獨(dú)立無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)建設(shè)基礎(chǔ)，因此,高校亟需一種適合自身實(shí)際使用環(huán)境的考勤系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng)，以STM32處理器為核心，以學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC為學(xué)生唯一身份標(biāo)志，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)及WLAN，為高校提供一種可靠、便捷、穩(wěn)定的考勤系統(tǒng)。最終通過(guò)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境測(cè)試,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

考勤系統(tǒng)由藍(lán)牙考勤終端、手機(jī)管理App以及教學(xué)考勤管理系統(tǒng)組成，提供定時(shí)、手動(dòng)考勤模式，可由教師端App靈活選擇不同模式或組合，以提高考勤系統(tǒng)的約束性，減少逃課、早退等不良現(xiàn)象的發(fā)生。定時(shí)模式中教師可選擇考勤間隔，自動(dòng)進(jìn)行兩次考勤；手動(dòng)模式可以滿足任意時(shí)刻考勤需求。前期采集信息時(shí)，學(xué)生在學(xué)生端App注冊(cè)上傳姓名、手機(jī)藍(lán)牙MAC等信息至教學(xué)考勤管理系統(tǒng)存儲(chǔ)。考勤時(shí)，教師連接校園WLAN，在教師端App選擇考勤模式，從教學(xué)考勤管理系統(tǒng)下載學(xué)生考勤信息，通過(guò)藍(lán)牙傳輸至考勤終端，終端自動(dòng)掃描獲取范圍內(nèi)藍(lán)牙信號(hào)MAC與終端存儲(chǔ)的MAC比對(duì)標(biāo)記，考勤結(jié)果由教師端App上傳保存至教學(xué)考勤管理系統(tǒng)。圖1為考勤系統(tǒng)整體架構(gòu)。

圖1 考勤系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 考勤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

考勤系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)如圖2，主要有STM32主控、搜索/傳輸藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、時(shí)鐘、OLED液晶顯示以及工/備電源模塊。

圖2 考勤機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 信息處理與信息顯示設(shè)計(jì)

信息處理及信息顯示設(shè)計(jì)包含STM32主控、時(shí)鐘以及OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì)。

2.2.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路負(fù)責(zé)控制各模塊運(yùn)行時(shí)序，識(shí)別考勤模式，處理與App的數(shù)據(jù)傳輸，處理顯示相關(guān)信息。主控芯片采用STM32F103RCT6，自帶256 K字節(jié)FLASH，工作頻率可以達(dá)到72 MHz[3]，滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理需求。如圖3，主要由復(fù)位、程序調(diào)試接口及Flash存儲(chǔ)電路組成。

圖3 主控電路原理

復(fù)位電路：用于復(fù)位STM32F103RCT6芯片，由一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成一階RC電路[4]，當(dāng)RESET有兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí)，系統(tǒng)即被復(fù)位。

程序調(diào)試接口電路：STM32支持JTAG和USB轉(zhuǎn)串口接口下載調(diào)試程序。由于USB轉(zhuǎn)串口接口只需兩根線，故選擇使用USB轉(zhuǎn)串口接口。

Flash存儲(chǔ)電路：用于掉電數(shù)據(jù)保存。采用W26Q16作為FLASH存儲(chǔ)芯片，掛載主控芯片SPI串口，用于存儲(chǔ)程序和重要數(shù)據(jù)，使其掉電不丟失。

2.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，提供時(shí)間信息，供參考及在定時(shí)模式中計(jì)時(shí)考勤間隔。該模塊由5 V和3.3 V雙電源供電，以保證掉電不掉時(shí)[5]。芯片內(nèi)部電路對(duì)外接的32.768 kHz晶振分頻后獲得周期為1 s的秒信號(hào)，對(duì)秒計(jì)數(shù)獲得分、時(shí)、日、周、月、年并寄存在芯片內(nèi)部[6]，通過(guò)三線接口供主控讀取。

圖4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

2.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

采用I2C接口OLED液晶屏顯示信息，通過(guò)雙向二進(jìn)制同步串行總線SDA(數(shù)據(jù))和SCL(時(shí)鐘)與主控交換數(shù)據(jù)與指令[7]。芯片內(nèi)部集成總線接口，并設(shè)計(jì)濾波電路，濾去總線上噪聲干擾，因此，使用I2C總線可以降低硬件電路PCB布線冗余，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.3 藍(lán)牙模塊

終端由藍(lán)牙模塊掃描獲取學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC完成考勤，再通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)App傳輸考勤信息。為避免造成控制混亂及傳輸誤碼，故取兩個(gè)藍(lán)牙模塊完成上述工作，稱為搜索藍(lán)牙和傳輸藍(lán)牙。為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，均采用同一型號(hào)即XY—MBD07A，分別通過(guò)USART2,3串口與主控連接。此藍(lán)牙模塊集成藍(lán)牙4.2LE+BR/EDR雙模芯片、藍(lán)牙協(xié)議基帶以及高增益射頻PCB天線，同時(shí)支持主從模式，滿足本設(shè)計(jì)掃描和傳輸需求。

2.4 數(shù)據(jù)交換模塊設(shè)計(jì)

該模塊負(fù)責(zé)連接U盤供主控存取考勤數(shù)據(jù)，采用CH376S文件管理芯片，支持常用存儲(chǔ)設(shè)備，支持8位并口、SPI接口和異步串口通信[8]。由單獨(dú)低壓線性穩(wěn)壓器AMS1117—3.3將系統(tǒng)輸入電源降至3.3 V供電，利用USB-A接口座連接U盤，并由主控通過(guò)模擬SPI通信接口控制CH376S芯片存取U盤中文件。

2.5 工/備電源模塊設(shè)計(jì)

為滿足5 V和3.3 V模塊電壓需求，設(shè)計(jì)工/備電源電路如圖5。以DC 5 V適配器電源VDC為工作電源，3.7 V鋰電池VBattery為備用電源，由PMOS管控制選擇輸出。工/備電源同時(shí)輸入時(shí)，VDC>VBattery，PMOS管關(guān)斷，工作電源供電，并通過(guò)充電芯片TP4054給鋰電池充電；若工作電源中斷或需移動(dòng)使用，VDC

圖5 工/備電源電路

3 考勤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32軟件設(shè)計(jì)

STM32軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、藍(lán)牙搜索和傳輸程序、數(shù)據(jù)交換程序、時(shí)鐘程序和顯示程序。

1)系統(tǒng)主程序：初始化系統(tǒng)，檢測(cè)U盤連接，若檢測(cè)到，判斷考勤模式，根據(jù)考勤模式執(zhí)行考勤，否則繼續(xù)檢測(cè)U盤。執(zhí)行考勤時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，根據(jù)各狀態(tài)運(yùn)行條件執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。

2)藍(lán)牙搜索和傳輸程序：配置USART2,3串口引腳，初始化模塊，通過(guò)內(nèi)置的AT指令完成掃描、獲取MAC及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3)數(shù)據(jù)交換程序：配置模擬SPI接口引腳，初始化模塊，提供連接測(cè)試、指令讀/寫、數(shù)據(jù)讀寫/發(fā)送等子程序供系統(tǒng)主程序調(diào)用。

4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序：配置連接引腳，初始化模塊，依次儲(chǔ)存7個(gè)字節(jié)時(shí)鐘信號(hào)：秒分時(shí)日月周年，待調(diào)用顯示[9]；計(jì)時(shí)考勤間隔，供主程序判斷是否開始考勤。

5)顯示程序：配置I2C總線，檢測(cè)顯示屏，初始化模塊，提供字節(jié)讀/寫、字符串/漢字等數(shù)據(jù)顯示子函數(shù)[10]。最終顯示4行信息：終端名稱、應(yīng)到和實(shí)到人數(shù)、終端工作狀態(tài)和時(shí)間。

3.2 手機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)管理App功能設(shè)計(jì)如圖6，分為學(xué)生端、教師端和管理員端，負(fù)責(zé)考勤信息的采集與傳輸處理。

圖6 應(yīng)用軟件功能設(shè)計(jì)

學(xué)生端：注冊(cè)上傳姓名、藍(lán)牙MAC等信息；“查看”功能查看考勤狀態(tài)，若出勤但考勤失敗可通過(guò)“申訴”功能申訴；若需變更信息，則由“修改信息”功能提交申請(qǐng)，等待管理員處理。

教師端：“創(chuàng)建課程”功能從考勤管理系統(tǒng)下載該課程考勤表；“發(fā)送考勤表”功能將考勤表發(fā)送至終端；“上傳考勤表”將考勤結(jié)果上傳至考勤管理系統(tǒng)保存；“查看”功能查看本賬號(hào)考勤結(jié)果及審核學(xué)生申訴。

管理員端：主要負(fù)責(zé)處理學(xué)生修改信息申請(qǐng)及日常管理。

3.3 教學(xué)考勤管理系統(tǒng)配置

考勤系統(tǒng)需存儲(chǔ)和管理大量師生信息及考勤數(shù)據(jù)，考慮到管理的自主性以及信息的安全性，故選擇建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)師生信息、考勤數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與獨(dú)立管理。

采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)[11]。工作時(shí)，手機(jī)連接校園WLAN，通過(guò)配備的獨(dú)立內(nèi)網(wǎng)IP跳轉(zhuǎn)連接至管理系統(tǒng)，下載和上傳師生信息和考勤數(shù)據(jù)，其功能設(shè)計(jì)如圖7。

圖7 管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

師生信息管理：存儲(chǔ)工/學(xué)號(hào)、手機(jī)藍(lán)牙MAC等信息，方便管理人員整體掌握與查看師生信息。

考勤信息管理：將學(xué)生信息以班級(jí)為單位列表存儲(chǔ)，以待教師端App下載考勤；接收存儲(chǔ)教師端App上傳的考勤結(jié)果。

信息變更管理：對(duì)審核通過(guò)的信息修改及學(xué)生申訴進(jìn)行對(duì)應(yīng)變更，以保證師生信息的實(shí)時(shí)性和考勤結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試考勤系統(tǒng)，特選取一工作日在三種典型教室(階梯教室、專用教室、實(shí)驗(yàn)室)中各放置一臺(tái)考勤終端。管理系統(tǒng)中考勤結(jié)果如圖8所示(以《通信原理》課程為例)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

圖8 考勤結(jié)果

表1 考勤結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在射頻實(shí)驗(yàn)室中由于射頻設(shè)備的影響，一名出勤學(xué)生出現(xiàn)考勤失敗情況，在App申訴并經(jīng)當(dāng)堂教師App審核，管理系統(tǒng)及時(shí)修改了其考勤結(jié)果。測(cè)試表明考勤終端、手機(jī)管理App及教學(xué)考勤管理系統(tǒng)均能準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙和校園WLAN的課堂考勤系統(tǒng)，藍(lán)牙考勤終端掃描獲取學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙MAC完成考勤，考勤結(jié)果由手機(jī)連接校園WLAN,使用App上傳至管理系統(tǒng)保存。實(shí)際課堂測(cè)試結(jié)果表明，該考勤系統(tǒng)具有良好的可行性和可靠性，不僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，滿足實(shí)際使用要求，且與現(xiàn)有考勤系統(tǒng)相比，具有考勤模式靈活、傳輸方式多樣、移動(dòng)便攜性強(qiáng)、功耗成本低等特點(diǎn)。