物联网基于RFID的学生考勤系统的设计与实现汇编Word文件下载.docx
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女生成为消费人群的主体。
物联网专业综合设计
题目基于RFID的学生考勤系统的设计与实现
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1.绪论
1.1研究背景与意义
随着电子技术的发展，各类计算机考勤系统如IC卡考勤系统、指纹考勤系统等如雨后春笋般迅速涌现并逐步得到普及和应用。
这类系统的一般使用流程为学生持一张具有身份信息的智能卡（或自身的指纹），在进入或离开学校/教室时于出入口处的读卡器上进行刷卡（或按指纹），然后通过系统实时识别并将考勤信息通过物理介质和交换机传输到服务器，再由数据库对考勤信息进行管理。
与传统的点名考勤相比，这些计算机考勤系统虽然能大幅提高对学生的考勤效率，但仍存在着不卫生、代刷卡、人员通过速度较慢等问题，特别是当有大量人员短时间内通过时，就会排起长队；
因此使得采用这类系统的价值被大打折扣。
为了进一步解决上述传统考勤方式存在的不足，本文基于物联网技术，提出并设计实现了一种新的学生考勤管理系统，该系统结合计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术和远距离射频识别技术（RFID），集通道安全管理、自动化控制、警报处理、人员通行记录、多系统联动为一体，具备完善的安全管理与通行许可证机制，采用多系统联动技术与人性化设计理念，不但使得系统具有良好的可扩展的网络结构，而且还通过非接触式刷卡方式，实现了对人员的放行、拒绝、记录等操作，有效控制人员出入，实现对出入口的安全管理，从而为学校考勤与安全防范管理提供了有效的解决方案。
因此，具有重要的理论研究意义与实际应用价值。
1.2学生考勤系统研究状况
1.2.1基于IC智能卡的考勤系统
基于IC智能卡的学生到课情况统计与考勤系统主要包括以下几个部分：
一个学生考勤信息统计与管理中心和多个单独设置的学生考勤点。
其中：
学生考勤信息统计与管理中心主要包括了学生考勤信息统计与管理用计算机、用于打印学生考勤信息统计报表的激光打印机、学生考勤用IC智能卡发卡机、以及由第三方设计与开发的学生考勤信息统计与管理软件等软硬件设备。
学校管理部门负责考勤管理的人员利用以上设备和软件即可实现对学生的日常考勤管理工作。
基于IC智能卡的学生到课情况统计与考勤系统所完成的主要功能包括：
学生考勤用IC智能卡发放、学生考勤用IC智能卡读卡与考勤管理、学生到课与缺勤登记、学生考勤数据采集；
系统对各个考勤点的数据发送、学生到课情况统计与考勤统计及相关考勤统计报表的输出等。
而每个单独设置的学生考勤点则由IC智能卡考勤机和学生考勤用IC智能卡组成，学生按照规定在上下课时在IC智能卡考勤机上进行打卡操作，然后由IC智能卡考勤机自动记录学生的相关考勤数据，并定期地将接收到的相关学生考勤数据通过RS485总线传送到远程的考勤管理计算机，与此同时，各个考勤点也可以接收来自考勤管理中心计算机发送过来的相关数据。
基于IC智能卡的学生到课情况统计与考勤系统的体系结构如下图1.1所示：
图1.1IC卡考勤系统的总体结构
IC卡考勤管理系统以非接触IC卡技术为核心、使用户的考勤控制管理轻松方便；
上下班时，员工只需将个人的考勤卡在考勤机前一晃（感应距离约5厘米），考勤机即自动、快速、准确地记录下员工的卡号，刷卡时间等出勤信息，在需要进行统计时，数据经通讯线传入计算机中，管理者足不出户便可随时查询员工出勤情况，统计汇总考勤报表，使人事考勤管理严密准确、得心应手。
这些繁锁的考勤工作交由电脑自动化处理，从而能节省大量的人力、物力。
1.2.2基于人体指纹的考勤系统
基于人体指纹的学生考勤系统主要包括人体指纹管理计算机和指纹考勤机两个主要的部分，基于人体指纹的学生考勤系统的体系结构如下图1.2所示。
其中，指纹考勤机主要由指纹采集设备、考勤单片机、电源等主要设备组成。
其中，人体指纹管理计算机与指纹考勤机之间一般通过RS-232数据线连接进行通信。
图1.2IC指纹考勤系统的总体结构
2.物联网技术及其应用
“物联网”（TheInternetofthings，简称IOT）也叫传感网，是指将各种各样的信息传感设备与装置，例如：
无线射频识别（RadioFrequencyIDentification，简称RFID）设备、红外感应器、全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称为GPS）、无线传感器网络节点、以及激光扫描器等装置设备与因特网/互联网（Internet）融合一体而形成的一个超大规模的复杂计算机网络。
构建物联网的一个最为主要目的就是为了能够对世界上所有的物品（Things）进行远程的感知和控制，并与现有的各类网络紧密地互相连接在一起，从而形成一个更加智慧与智能的生产与生活网络体系。
目前，物联网被众多学者称为是世界信息产业中继计算机与因特网之后的第三次高科技浪潮，同时也被看作是在整个信息产业的新一轮竞争中的一个主要制高点。
在本章中，将主要对物联网的基本概念与有关定义、物联网的发展历程与发展趋势，以及物联网的应用领域和关键技术进行深入介绍，并在此基础上，进一步阐明物联网技术在学生考勤系统设计与实现中的应用原理与主要特色。
2.1物联网技术概述
所谓的物联网这一概念，最先是在上世纪末（1999年）由美国MITAuto-ID中心的Ashton教授所提出来的[11]。
物联网的概念是在因特网/互联网的概念的基础之上，将因特网/互联网的用户端进一步延伸和扩展到了世界上的任何物品
（Things）与物品（Things）之间进行信息交换和通信的一种新的计算机网络概念。
在物联网中，计算机网络可以通过无线射频识别（RadioFrequencyIDentification，简称RFID）设备、全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称为GPS）、红外感应器（InfraredSensor）、无线传感器网络节点（WirelessSensorNode）以及激光扫描器（LaserScanner）等装置与设备，按照预先约定的网络协议把地理位置分散的任何物品都与因特网/互联网紧密地连接起来，然后，通过与“因特网/互联网”之间的信息交换与网络通讯以实现对这些物品的自动化与智能化识别、实时的定位与跟踪、以及实时的管理与监控等功能的一种新型超大规模互连网络。
简而言之，物联网就是一种可以实现物物相连的因特网/互联网。
2.2无线传感器网络技术
目前，随着各类有线与无线网络通讯技术，计算机技术和无线传感器网络技术的快速发展与日趋成熟，人们已经在此基础上设计并实现了多种微型传感器节点，并在世界范围内将其广泛应用到了各种军事和民用领域之中。
到目前为止，无线传感器网络的发展主要经历了以下三个阶段：
首先，上世纪七十年代是无线传感器网络的初现阶段，在这个时间阶段，大部分的无线传感器网络一般还仅仅具有单纯的点对点的传输能力和简单的信息采集与获取能力。
之后，到了上世纪八十年代，开始出现了使用串/并接口与无线传感器网络节点进行连接，从而使得无线传感器网络转变成了一种可以获取多种环境信息的复杂网络。
然后，到了上世纪九十年代后期，随着智能无线传感器节点通过采用现场总线方式来连接形成一个局域网络及无线宽带通讯技术被广泛引入到了无线传感器网络之中，无线传感器网络技术的发展和应用由此发生了飞跃性的质的变化。
目前已逐渐形成了一个以无线传感器网络为标志的全新的科学研究领域，在该领域中，无线传感器网络在基础理论层面上和工程技术层面上均分别向科研人员提出了的严肃的挑战性研究课题。
图2.2给出了无线传感器网络节点的物理结构图。
如图2.2所示，在无线传感器网络中，无线传感器网络节点一般主要包括有移动装置、无线传感单元、能源装置、GPS定位装置、数据处理单元以及网络通信单元等六个主要的部件。
其中，无线传感单元主要用于负责对被监测对象原始数据的采集与获取，通过该单位采集得到的原始数据在经过了数据处理单元的相应处理后，可以通过无线网络通信单元传输到网络上的一个数据汇聚节点，该节点一般称为Sink节点。
然后，Sink节点可以通过因特网或卫星将其接收到的传感数据传输到远程的用户数据处理中心进行相关处理。
图2.2无线传感器网络节点的物理结构
2.3射频识别RFID技术
射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称为RFID）技术，又称电子标签、或无线射频识别技术，是一种新型的无线通信技术，基于RFID射频识别技术，可以通过无线电讯号来识别和定位特定目标并读写与其相关的数据信息，而不需要在RFID射频识别系统与被监控的特定目标之间建立起一种直接的机械的或光学的接触。
射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透冰雪、雾、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。
有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。
可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。
常用的RFID技术主要有低频（125k~
134.2K）、高频（13.56Mhz）、超高频，无源等技术。
RFID系统主要用于控制、检测和跟踪物体。
如图2.5所示，RFID系统通常由一个或多个RFID读卡器（或RFID阅读器）、一个或多个天线以及一个或多个RFID应答器（或标签）、组成。
其中，RFID标签（Tag）由一些相互之间耦合的元器件以及一个RFID芯片共同组成，每个RFID标签中存储有一个唯一标识该RFID标签的电子编码，且该RFID标签可附着在物体表面上，用以对目标对象进行唯一标识；
RFID阅读器（Reader）主要是用于读取（有时还可以写入）RFID标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器（如：
C5000W）或固定式RFID读写器；
天线（Antenna）的功能则是主要用于在RFID标签和RFID读写器之间通过无线的方式来传送RFID射频信号。
图2.5RFID视频识别系统的结构图
3.基于RFID室内定位技术的防代刷卡算法
针对传统的课堂点名方式效率低下及门禁刷卡考勤不能实时掌握到课人数的现状，提出一种基于超高频无源RFID的教室考勤系统：
通过RFID标签的惟一标识特性判断持卡人是否出勤；
采用基于接收信号强度RSSI的定位算法，计算出持卡人的座位，并通过查重算法排除一人持多卡的现象。
实现了对课堂到课情况的实时高效点名和考勤手段的信息化。
3.1基于RFID技术的室内定位算法描述
3.1.1基于RFID技术的教室座位区域的划分及定位方法
在基于RFID射频识别技术的室内定位系统中，供学生所使用的校园卡（RFID电子标签）一般采用的是13.56MHz/915MHz的双频RFID电子标签（简称为双频卡），其中，13.56MHz的RFID电子标签主要用于近场读/写模式，主要是用以解决学生在校内的食堂与图书馆等场所的消费刷卡的需求，在这些场所只有采用近场读/写模式才能防止校园卡被远距离误刷；
而超高频（UltraHighFrequency，简称为UHF）915MHz的RFID电子标签则主要用于学生进出校门和进行远程考勤等远距离识读与定位的情形，在这些场景中，只有采用远场读/写模式才能方便学生的进出，同时提高考勤的效率。
此外，为了让在学生在持校园卡进入到教室之中坐下之后教师可以在上课的任意时段通过计算机来对学生进行快速点名，即让任课教师可以通过RFID阅读器对学生携带的校园卡进行实时的识别与定位操作，从而可以以一种非接触式的方式来确定每一位学生是否到课以及每个学生在教室中的具体座位情况，为此，系统首先需解决的问题就是要能够将教室中的每一个座位有效地区分开来。
如图3.1所示，教室座位的整体布局通常为一个矩形区域L，在该矩形区域L中，再划分为K个小的矩形区域L,L,…,L，其中，每个小的矩形区域L中布置有m行n列个座位。
基于以上教室座位的整体布局情况，为了便于对教室中的每一个座位进行有效地定位，接下来系统所需要做的事情就是要根据教室的面积与RFID阅读器中的天线的有效覆盖范围来确定需要在该教室之中部署的RFID阅读器天线的具体个数，并将这些RFID阅读器天线安装在教室中易于测量和计算的位置，然后再据此设定基础坐标系以最终实现对教室中每一个座位的精确定位。
图3.1教室座位的整体布局
3.1.2一人持多卡的代刷卡问题发现算法
基于上节中提出的教室座位区域定位与划分的相关方法可知，由于在教室座位区域中每个座位的区域正好代表了一个座位，因此，如果在同一座位区域内探测到了2个或2个以上的待测标签，则表明在该座位/座位的区域上出现了一个人同时持有多张RFID电子标签（一人持多卡）的代刷卡现象发生。
由此，我们可给出一人持多卡的代刷卡问题发现算法。
3.2性能仿真
为了检验算法的性能，本节进行了相关实验仿真与验证。
仿真实验环境的教室整体布局如下图3.2所示。
其中，标志1表示RFID标签、标志2表示参考RFID标签（RFID路标）、标志3表示RFID读写器、标志4表示考勤服务器、标志5表示考勤终端（如台式电脑或笔记本等）。
图3.2仿真实验环境的教室整体布局
仿真实验环境的网络拓扑如下图3.3所示：
图3.3仿真实验环境的网络拓扑
如图3.4所示，具体的考勤流程如下：
（1）考勤人员触动考勤终端上的考勤图标，考勤终端通过网络向考勤服务器发出请求实施考勤的命令；
（2）考勤服务器接受请求实施考勤的命令，向对应教室中的RFID读写器发布采集各个参考RFID标签和移动RFI标签的RSSI值和标识值的命令；
（3）RFID读写器接收到考勤服务器发来的采集命令后，分别对自己可读范围内的移动RFID标签、参考标RFID标签的RSSI值和标识信息进行采集；
（4）RFID读写器将各自采集到的相关数据通过有线（或无线）网络发送给考勤服务器；
（5）考勤服务器接收从RFID读写器发送过来的采集数据，对教室中的移动RFID标签进行定位；
（6）考勤服务器与数据库进行通信，交换数据，将考勤情况保存到数据库中，并将考勤情况通过网络发送给考勤终端；
（7）考勤终端在其屏幕上显示出相应的考勤情况信息，并根据考勤人员的指令显示出被考勤人员的详细的信息。
图3.4仿真实验的考勤流程
在如图3.2部署的实验环境之中，共部署有36个RFID标签、4个参考RFID标签（RFID路标）。
首先，针对代刷卡现象的识别情况，在部署1个阅读器的情况下的定位精度约为3-5m，在部署2个阅读器的情况下的定位精度约为1-2m，在部署3个阅读器的情况下的定位精度约为50-80cm，在部署4个阅读器的情况下的定位精度约为20-30cm，显然，在部署4个阅读器的情况下，若教室中的座位间隔大于30cm时才可取得较为满意的防代刷卡识别效果。
此外，基于上述考勤流程与仿真实验环境，本文还对阅读器个数变化对识别准确率和识别时长的影响进行了相关实验，得出的仿真实验结果分别如图3.5和图3.6所示。
其中，图3.5给出了在如图3.2所示部署4个参考标签情况下，分别部署1，2，3，4个阅读器时，对待测标签所在座位区域准确识别的概率大小。
由图3.5的结果可知，部署的阅读器越多，则对待测标签所在座位区域准确识别的概率就会越大。
但随之而来的问题是进行识别所需要的时间也会越长，图3.6就给出了分别部署1，2，3，4个阅读器时，对待测标签所在座位区域进行识别分别所需要的时间长度。
图3.5阅读器个数变化对识别准确率的影响（部署4个参考标签）
图3.6阅读器个数变化对识别时长的影响（部署4个参考标签）
4.考勤管理系统的设计与实现
物联网是继互联网/因特网与计算机技术之后信息产业领域兴起的第三次技术与产业浪潮，为全球工业化、城市化进程提供了一种新的革命性的信息技术和智能技术，具有广泛的应用需求和巨大产业发展的空间。
本章重点介绍基于物联网技术的学生考勤管理系统的构建、设计思路、以及主要功能模块。
4.1系统的体系结构
4.1.1系统的网络拓扑结构
通过点名、磁卡和接触式IC卡等方式对学生的到课情况进行考勤、记录管理，既耗时又相互干扰；
而基于物联网技术的学生考勤管理系统由于采用了非接触式RFID卡利用无线射频识别技术来实现对学生考勤管理，不但方便快捷，而且还可大幅提高教师的课题点名效率。
基于物联网技术的学生考勤系统网络拓扑结构如下图所示。
基于图4.1给出的系统网络拓扑结构，基于物联网技术的学生考勤系统的工
作原理可描述如下：
步骤1：
教师点击电脑上的考勤按钮，向远程考勤服务器发出请求实施自动考勤的命令；
步骤2：
远程考勤服务器接受请求实施考勤的命令，向所在考勤区域的嵌入式终端设备及RFID读写器发布采集各个参考RFID标签和移动RFID标签的数据采集命令；
步骤3：
嵌入式终端设备及RFID读写器将采集得到的数据发回给远程考勤服务器；
步骤4：
远程考勤服务器将接收到的数据存储到考勤管理数据库系统，然后对本次考勤情况进行统计，并将统计结果反馈到教师电脑上。
4.1.2系统的关键技术与功能模块划分
基于物联网技术的学生考勤管理系统主要涉及的关键技术包括RFID室内定位技术、无线传输技术、关系数据库设计与应用技术、JAVA编程技术等。
如图4.1所示，基于物联网技术的学生考勤管理系统主要包括有以下几大功能模块：
（1）信息管理模块：
该模块主要用于维护学生的相关基本信息和院系的相关基本信息。
（2）考勤管理模块：
该模块主要用于维护学生的考勤登记信息和统计学生的月考勤信息。
（3）用户管理模块：
该模块主要用于维护用户的注册信息和用户的系统权限信息。
（4）RFID卡管理模块：
该模块主要用于维护RFID卡的充值信息和状态信息。
（5）查询管理模块：
该模块主要用于用户查询学生的相关考勤统计信息。
（6）系统管理模块：
该模块主要用于系统的权限设置信息和相关参数信息。
图4.2基于物联网技术的学生考勤管理系统的功能模块划分
4.2系统的数据库设计
为了实现4.1.2节中给出的系统各个功能模块，本节给出了系统所需七张主要数据库表的详细设计。
（1）学生基本情况表：
主要用于记录学生的相关基本信息，其定义的字段及
各个字段的含义如表4.1所示。
表4.1
（2）院系基本情况表：
主要用于记录院系的相关基本情况，其定义的字段及各个字段的含义如表4.2所示。
表4.2院系基本情况表
（3）RFID卡信息管理表：
主要用于记录RFID卡的相关基本情况，其定义的字段及各个字段的含义如表4.3所示。
表4.3RFID卡基本情况表
（4）学生考勤登记表：
主要用于记录学生考勤的相关基本情况，其定义的字段及各个字段的含义如表4.4所示。
表4.4学生考勤登记况表
（5）学生月考勤情况统计表：
主要用于记录学生每个月的考勤情况统计信息，其定义的字段及各个字段的含义如表4.5所示。
表4.5学生月考勤情况统计况表
（6）用户系统权限信息表：
主要用于记录用户的系统权限信息，其定义的字段及各个字段的含义如表4.6所示。
表4.6用户系统权限信息表
（7）用户系统注册信息表：
主要用于记录用户的系统注册信息，其定义的字段及各个字段的含义如表4.7所示。
表4.7用户系统注册信息表
上述主要数据库表的的关系视图如下图4.3所示
图4.3主要数据库表的的关系视图
4.3系统主要模块设计
4.3.1用户注册和登录模块
为了保证信息的安全，系统首先需要用户进行注册和登录。
系统注册模块的实现流程图如图3.4所示，系统登录模块的流程图如图3.5所示。
其中，用户在进行系统登录时需要输入相应的帐号和密码信息。
当帐号或密码错误，系统会自动弹出提示信息；
若账号密码正确则系统将正常跳转到系统主界面。
图4.4系统注册流程图
图4.5系统登录流程图
4.3.2课堂考勤模块
首先，依据图3.1对教室进行整体布局，根据教室的面积与RFID阅读器中天线的有效覆盖范围确定需要在教室中部署的RFID阅读器天线的具体个数，并将这些RFID阅读器天线安装在教室中易于测量和计算的位置。
然后，再依据3.2.1节中给出的对教室座位的可行的区分与定位算法来实现对教师中每个座位的区分与定位。
最后，再依据3.2.2节中给出的一人持多卡的代刷卡问题发现算法来实现对代刷卡现象的发现与识别。
此外，考虑到课堂考勤方式的多样性，有的教师为了防止学生迟到与早退，需要多次考勤学生的到课情况，而有些教师可能只会在上课后考勤一次，所以在课堂考勤模块还需要提供自动考勤模式跟手动考勤两种不同的课题考勤模式，其中，系统默认为自动课堂考勤模式。
1．自动课堂考勤模式
在自动课题考勤模式下，系统将自动运行考勤功能并将考勤结果显示到教师的笔记本或台式电脑上。
在登录之后，系统应自动启动考勤功能并搜索到当前教室中的所有学生。
在自动课题考勤模式下，手动课题考勤模式下的选择下拉框应设置为无效状态，除此之外，查询按钮也应设为无效状态。
图3.6给出了系统自动课堂考勤模式的流程图。
图4.6系统自动课堂考勤模式的流程图
2.手动课堂考勤模式
为了方便教师随时对学生到课情况进行考勤，在手动课堂考勤模式下，系统还将进一步提供定时课堂考勤与随机课堂考勤两种不同的考勤模式。
在定时课堂考勤模式下，系统可每隔30分钟自动执行一次考勤，并将跟新后的考勤结果显示到教师的笔记本或台式电脑上；
在随机考勤模式下，教师可自己设置考勤时间点等相关考勤参数，随时对学生的到课情况实施考勤。
图3.7和图3.8分别给出了手动课堂考勤模式下系统定时课堂考勤与随机课堂考勤模式的流程图。
图4.7
手动课堂考勤模式下系统定时考勤的流程图
图4.8
手动课堂考勤模式下系统随机考勤的流程图.
4.3.3考勤结果查询模块
在进行考勤结果查询时，用户必须首先选择星期、节次、教室等信息，然后点击查询按钮，此时，系统将根据用户的选择从数据库里查询出本周本星期本节课的学生考勤数据。
在查询完成后，系统需要把查询结果显示出
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