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1、基于RFID学生考勤信息管理设计【摘 要】在我国众多高校中，老师点名的方式一般都是对着点名册一个一个地进行点名考勤，这种方式不仅浪费大量的教学时间，而且效率极低，数据统计困难。根据这种实际需求，本文应用cortex-M3内核的32位处理器设计了一个基于RFID学生考勤信息管理系统。本文设计的考勤系统主要由上位机和下位机两部分组成。下位机包含电源模块、RFID模块、带有嵌入式实时操作系统的STM32F103RBT6最小系统模块、显示系统时间以及学生相关信息的液晶触屏模块、能与PC机通信的USART模块等。上位机是利用Qt5.1.1集成开发环境，选用C+面向对象语言，以SQLite3作为数据库开发
2、的应用程序，从而实现PC机上对学生考勤数据进行管理。【关键词】射频识别 学生考勤 嵌入式实时操作系统 STM32F103RBT6 Qt5.1.11.绪论1.1设计来源1.1.1射频识别技术概述及发展RFID（radio frequency identification），即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，读写器在工作的时候会发送一定频率的的射频信号，当贴有标签的射频卡靠近天线信号的范围内时，射频卡会接收来自于读写器的射频信号而产生感应电流，感应电流足以使射频卡工作，射频卡就会将自身的数据信息通过射频卡天线发送出去，读写器接受到载波信号后经过调制、解码后得到
3、相应数据信息。到了20世纪90年代，RFID技术的发展越来越全面。RFID技术慢慢地走入到了我们的生活中，产品在门禁系统、防盗系统、物流中物品识别、电子付费及二代身份证管理等方面都得到了广泛运用。1.1.2 STM32概述及特点STM32是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设。STM32的Cortex-M3内核采用的是ARM V7构架，除了支持Thumb-2指令集，还拥有很多新特性。和ARM7 TDMI相比较，STM32的Cortex-M3内核在性能上更强大，在代码密度、位带操作、可嵌套中断、成本和功耗等方面都具有优势。STM32F103RBT6嵌
4、入式处理器主要具有的特点如下：（1）32位RISC性能处理器；（2）32位ARMCortex-M3结构优化；（3）72MHZ运行频率，单周期访问时速度可达1.25DMIPS/MHz；（4）快速可嵌套中断，612个时钟周期；（5）片内具有256KBFLASH，48KBRAM；（6）80个快速I/O端口，16个I/O可映射到外部中断，几乎所有的I/O可以忍受5V电压；（7）片上集成12位A/D、D/A、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等资源；1.2基于RFID学生考勤系统的研究意义在我国高校中，学生管理是一个比较复杂的工作，学生考勤也是其中一个重要工作。目前，学生考勤在国内可以说是处于原
5、始社会状态：老师对着花名册逐个对学生进行点名考勤。这种方法花费了相当的时间。从时间成本考虑，开销太大，效果不理想。本文设计的基于RFID技术的学生考勤系统，体积小，使用方便。老师在不耽误任何教学时间的情况下，准确地完成学生的考勤，为教学节省出大量的时间，有着相当的应用空间。此外，此课题的成果可以推广到其他应用场合，比如在公司或企业员工的上下班考勤、数字图书馆系统、停车库管理系统等场合，有着广阔的应用前景。2.系统蓝图及相关技术基础2.1系统功能概述和系统结构2.1.1系统功能概述本系统是为了方便教师对学生的出勤情况进行快速、方便和智能地管理而设计的。开机运行后，我们可以看到TFT液晶屏上半部分
6、显示当前的日期和时间，下半部分显示四个触摸按键，分别为考勤数据、历史记录、系统时间和帮助。触摸考勤数据控件我们可以查询当前时间点前学生总人数、出勤人数、缺勤人数以及请假人数；点击历史记录控件我们可以查询所有学生的学号、姓名和刷卡时间；触摸系统时间控件我们可以查看和修改当前的系统时间；触摸帮助控件我们可以查看关于此系统的基本信息。当红色LED以一定时间间隔闪烁时说明我们的系统正在工作，我们可以将RFID卡靠近RFID模块，RFID模块接收到RFID卡的数据信息后传入STM32，STM32处理考勤相关信息。如果刷卡成功，则绿色LED闪烁一次，并且将处理好的信息发送给服务器PC机。服务器PC机接收到
7、数据后对数据进行处理。2.1.2系统总体结构图该系统总体结构如下图2-1所示：图2-1 系统总体结构图2.2 相关技术基础2.2.1 嵌入式实时操作系统Ucossii简介在本设计中，MCU移植了嵌入式实时操作系统ucossii。因为我们设计的考勤系统需要同时实行多个任务，既要LED不停闪烁以表明系统在运行，又要进行数据处理，还要对触摸屏触摸控制和液晶显示。如果是单任务处理的话容易出现卡屏，数据处理不及时等问题。嵌入式实时操作系统ucossii代码量小，功能齐全，完全满足我们设计的需求。系统的内核还是比较简单的，基本可以分为任务调度，任务同步和内存管理三个部分。（1）ucossii内核组成：1）
8、任务调度ucosii为保证实时性，给每个任务分配一个不同的优先级。当发生任务切换时，总是切换到就绪的最高优先级任务。当任务等待资源就绪或自我延时或者退出中断时会发生任务切换。需要注意的是SysTick中断，这个中断是os的“心跳”，必须得有。这样就使得cpu会发生周期性地做任务切换。由于ucosii不支持时间片轮转调度，因此在该中断中必须做的工作仅有os的时间管理。也就是调用OSTimeTick()。2）任务同步任务间的同步简单地来说就是任务间的制约、合作运行机制。主要是利用信号量使得某个任务与另一个任务，或者中断服务进行同步，并且它们之间是没有数据交换的。当一个任务在进行操作，然后等待信号回
9、应。当操作完成，中断服务程序或者另一个任务会发出一个信号，该任务得到这个信号后就可以继续往下执行。3）内存管理在C/OS-II 内存管理中，操作系统会把连续的大块的内存进行分区来管理。这些连续的分区中又包含有整数个大小相同的内存块。这样一来，在这种机制下C/OS-II 中调用malloc()和free()函数可以分配和释放固定大小的内存块。那么，malloc()和free()函数执行的时间也就是固定的了。（2）系统代码主要组成系统代码主要组成部分及其说明如下表 2-1：表 2-1 系统代码主要组成文件名说明os_core.cucosii的核心，它包含了内核初始化，任务切换，事件块管理等os_t
10、ask.c任务管理代码os_flag.c事件标志组管理代码os_mbox.c消息邮箱管理代码os_mutex.c互斥信号量管理代码os_q.c消息队列管理代码os_sem.c信号量管理代码os_mem.c 内存管理代码os_time.c时间管理代码，主要做各种延时os_cpu.h进行数据类型定义，处理器相关代码和几个函数原型os_cpu_c.c定义一些用户hook函数os_cpu_a.asm移植需要用汇编代码完成的函数，主要就是任务切换函数2.2.2射频识别基本原理最基本的RFID系统由三部分组成：电子标签、阅读器和天线。系统在工作的时候，阅读器会发送一定频率的信号，当电子标签进入到阅读器发出
11、信号的范围内时，电子标签会产生感应电流，产生的感应电流能够让电子标签工作，电子标签就会将自身的数据信息通过天线发送出去，阅读器天线部分接收到信号后经过调制、解码就可以得到相应的数据信息，我们通过CPU能够读取相应数据信息并且对其进行处理。我们的射频模块处理部分采用RC522芯片进行处理，其频率为13.56MHZ。射频处理模块中天线线圈是数据信息传递的重要媒介，因此接下来我们对天线线圈进行详细的介绍。天线线圈其实是一个LC振荡电路，具有特定的频率，它的输入阻抗是输入信号电压与信号电流的比值，输入阻抗具有的电抗分量会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此在设计电路时尽量使电抗分量趋近于零，这样就可以
12、使天线表现出纯电阻特性，从而实现谐振，谐振计算公式为： （2-1）上式中，L为天线的等效电感，C为天线等效电容。在本设计中，天线工作频率为13.56MHz，假设这里的等效电感L常高，那么等效电容C就必须十分小。但是，L一旦超过5uH，电容匹配问题就更艰难了。所幸的是我们可以在MFRCC522的TX1和TX2两个脚上并联两个天线，就能使感抗减半。环形天线电感计算公式为： （2-2）其中，Ll为环形天线一圈的长度；Dl为PCB天线导线的直径或者长度；K为天线环形因素（圆形天线取1.07，矩形天线取1.47）；Nl为天线的圈数；p为与线圈结构相关的系数。印刷电路板线圈的取为1.8。天线品质因数为Q，
13、计算公式如式2-3所示： （2-3）回路的输出效率一般用天线的Q值来评价。如果Q值越高，那么能量输出效率越高，但是如果过高，就会导致通带变窄，副载波频率处的能量幅度偏小设置在天线边带之外，会导致天线信号发送问题。因此，我们Q值设计一般在10-30之间，若经过上式2-3计算Q值大于30，可以在天线的两边分别串联一个电阻Rq，天线等效电阻增加，使Q值降低。由式2-3可以推出每边电阻的计算公式为： （2-4）式中：w=2f；La为天线电感；Q为拟调整值（此处为30）；Ra为天线电阻。2.2.3 IIC总线简介IIC总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用来在微处理器及其外围器件之间的连
14、接。它主要由数据线SDA和时钟SCL构成，通过一定的时序可以进行数据的收发。I2C总线在数据传输过程中共有三种类型的信号，分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。IIC总线时序图如下图2-
15、2所示： 图2-22.3本章小结本章结合嵌入式系统的系统功能和结果分析、设计过程的科学方法，重点阐述了系统实现的总体功能、系统设计的总体框架以及嵌入式实时操作系统ucossii核心内容、射频识别基本原理和IIC总线相关技术基础。以后的章节中结合上述设计的总体思路，给出各个模块的详细设计和具体实现。3. 硬件平台设计3.1 MCU最小系统设计本设计选择的是 STM32F103RBT6 作为 MCU，STM32F103 的型号众多，本设计选择这款的原因是看重其性价比，选择 STM32F103RBT6 是最佳的选择。 128K FLASH、 20K SRAM、 2 个 SPI、 3 个串口、 1 个 USB、 1 个 CAN、 2 个 12 位的 ADC、RTC、51 个可用 IO 脚等，这样的配置已经完全可以满足本设计的要求，所以我们选择了它作为本设计的主芯片。MCU最小系统包括启动电路、复位电路
