第六组 基于RFID的考勤系统设计.docx

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第六组基于RFID的考勤系统设计

移动通信课程设计

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基于RFID的考勤系统设计

一、RFID系统原理介绍

1.RFID技术

RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。

它是用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据的一项新技术。

它主要与当今数字化商务相适应,可以实现自动识别和远程监控及管理。

其通信距离范围可从几厘米到几十米,而且依据读写方式不同,可以输入几千字节的数字信息,具有极高的保密性。

RFID技术的环境适应性强，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪和管理功能,且穿透能力和抗干扰能力强。

RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

因此，RFID技术已在世界各地得到广泛应用，如工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

2.RFID系统的组成

最基本的RFID系统由电子标签、读写器（阅读器）、天线三部分组成。

而一个完整的RFID系统还需要管理软件。

RFID的基本组成部分：

1）RFID标签

RFID标签俗称电子标签，也称为应答器（Tag，Transponder,Responder）。

电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。

根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类。

当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。

RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。

电子标签内部结构如图所示.

电子标签内部结构

2）阅读器

阅读器也称读写器、询问器（Reader，Interrogator），是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。

读写器的频率决定了RFID系统工作的频段，，其功率决定了射频识别的有效距离。

读写器是RFID系统中最重要的基础设施。

一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。

在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。

读写器内部结构如图所示.

读写器内部结构图

3）天线

天线（Antenna）是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。

RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。

目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。

天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。

4）中间件

中间件（Middleware）是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。

中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。

中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。

5）应用软件

应用软件（ApplicationSoftware）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。

3.RFID系统的工作原理

由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线有效工作区域是产生感应电流，从而获得能量被激活，使电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去：

读写器的接受天线接收到从标签（射频卡）发送过来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理：

主机系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作。

一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（Tag）也就是所谓的应答器（Transponder）以及应用软件系统三部分组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

二、基于RFID的考勤系统设计的芯片选型

一个考勤系统硬件主要构成：

单片机，RC500读写系统芯片，12864液晶，实时钟模块，E2PROM存储器，以及键盘，单片机。

1.单片机芯片选型

1）STC89C516RD+

选择理由：

a）加密性强，无法解密

b）超强抗干扰

c）高抗静电（ＥＳＤ保护）

d）轻松过２ＫＶ／４ＫＶ快速脉冲干扰（ＥＦＴ测试）

e）宽电压，不怕电源抖动

f）宽温度范围，－４０℃～８５℃

g）Ｉ／Ｏ口经过特殊处理

h）单片机内部的电源供电系统经过特殊处理

i）单片机内部的时钟电路经过特殊处理

j）单片机内部的复位电路经过特殊处理

k）单片机内部的看门狗电路经过特殊处理

三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施：

a）禁止ＡＬＥ输出

b）如选６时钟／机器周期，外部时钟频率可降一半

c）单片机时钟振荡器增益可设为１／２gain

d）超低功耗

e）掉电模式：

典型功耗＜0.1μＡ

f）空闲模式：

典型功耗２ｍＡ

g）正常工作模式：

 典型功耗４ｍＡ－７ｍＡ

h）在系统可编程，无需编程器，可远程升级

2）MFRC50

MFRC50

系统射频芯片采用Philips公司的MRFC50，它应用于13.56MHZ高频频段，采用非接触式通信，是高度集成了RFID读写功能的集成芯片系列中的一员，它完全集成了在1356MHZ下所有类型的被动非接触式的通信方式和协议，支持ISO1443A所有层的功能，其内部的收发器部分不需要增加有源电路就能够直接通过天线读写．接收器部分利用一个高效、可靠的解调和解码电路，用于接收与ISO1443A兼容的一卡通信号，此外它还支持用验证MIFARE系列产品的快速CRYPTO1加密算法.

特点：

给阅读器的设计提供了极大的灵活性。

MFRC500可方便的用于各种基于ISO／IEC14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。

功能：

MFRC500内部包括并行微控制器接口、双向。

FIFO缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。

MFRC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线（包含读写信号和中断等）和电源等。

MFRC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。

它包含一个易用的双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出，为连接各种MCU提供了很大的灵活性。

即使采用成本非常低的器件也能满足高速非接触式通信的要求。

数据处理部分执行数据的并行一串行转换。

支持的帧包括CRC和奇偶校验。

MFRC500以完全透明的模式进行操作．因而支持IS014443A的所有层。

状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并将性能调节到最佳状态.

2.E2PROM存储器

串行E2PROM是可在线电擦除和电写入的存储器，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点，而且为低电压写入，在单片机系统中应用十分普遍。

　　串行E2PROM按总线形式分为三种，即I2C总线、Microwire总线及SPI总线三种。

1）I2C总线型

　　I2C总线，是INTERINTEGRATEDCIRCUITBUS的缩写，即“内部集成电路总线”。

I2C总线采用时钟（SCL）和数据（SDA）两根线进行数据传输，接口十分简单。

Microchip公司的24XX系列串行E2PROM存储容量从128位（16×8）至256k位（32k×8），采用I2C总线结构。

24XX中，XX为电源电压范围。

a）引脚

24AA00/24LC00/24C00型128位I2C总线串行E2PROM的引脚图

　　SDA是串行数据脚。

该脚为双向脚，漏极开路，用于地址、数据的输入和数据的输出，使用时需加上拉电阻。

　　SCL是时钟脚。

该脚为器件数据传输的同步时钟信号。

　　SDA和SCL脚均为施密特触发输入，并有滤波电路，可有效抑制噪声尖峰信号，保证在总线噪声严重时器件仍能正常工作。

　　在单片机系统中，总线受单片机控制。

单片机产生串行时钟（SCL），控制总线的存取，发送STRAT和STOP信号。

b）总线协议

　　仅当总线不忙（数据和时钟均保持高电平）时方能启动数据传输。

　　在数据传输期间，时钟（SCL）为高电平时数据（SDA）必须保持不变。

在SCL为高电平时数据线（SDA）从高电平跳变到低电平，为开始数据传输（START）的条件，开始数据传输条件后所有的命令有效；SCL为高电平时，数据（SDA）从低电平跳变到高电平，为停止数据传输（STOP）的条件，停止数据传输条件后所有的操作结束。

　　开始数据传输START后、停止数据传输STOP前，SCL高电平期间，SDA上为有效数据。

　　字节写入时，每写完一个字节，送一位传送结束信号ACK，直至STOP；读出时，每读完一个字节，送一位传送结束信号ACK，但STOP前一位结束时不送ACK信号。

c）器件寻址

　　START后，单片机发送一个控制字，该控制字包括Start位（S）、受控地址（7位，对24XX00来说前四位为1010，后三晃薰叵?

、读写（R/W）选择位（“1”为读，“0”为写）及传送结束位ACK。

24XX00的控制字格式如下：

S1010XXXR/WACK

　　24XX00随时监视总线上是否为有效地址，若受控地址正确且器件未处在编程方式下，则产生传送结束位ACK。

d）写操作　

　　单片机送出开始信号后，接着送器件码（7位）、R/W位（“0”），表示ACK位后面为待写入数据字节的字地址和待写入数据字节，然后结束一个字节的写入。

即S＋写控制字（R/W位为“0”）＋ACK（“0”）＋字地址＋ACK（“0”）＋写入数据＋ACK（“0”）＋STOP。

e）读操作

　　读操作有三种，读当前地址的内容、读指定地址的内容、读指定起始地址后的若干字节的内容。

　　读当前地址的内容为：

S＋读控制字（R/W位为“1”）＋ACK＋读出数据＋noACK＋STOP

　　读指定地址的内容为：

S＋写控制字（R/W位为“0”）＋ACK＋写入数据＋ACK＋读控制字（R/W位为“1”）＋ACK＋读出数据＋noACK＋STOP

　　读指定起始地址后的若干字节的内容为：

S＋写控制字（R/W位为“0”）＋ACK＋写入数据＋ACK＋读控制字（R/W位为“1”）＋ACK＋读出数据

（1）＋ACK＋……＋读出数据（n＋x）＋noACK＋STOP

　　24XX系列串行E2PROM存储芯片与单片机硬件接口只有SCL和SDA两根线，非常简单.

2）Microwire总线型

　　Microwire总线采用时钟（CLK）、数据输入（DI）、数据输出（DO）三根线进行数据传输，接口简单。

Microchip公司的93XXX系列串行E2PROM存储容量从1kbit（×8/×16）至16kbit（×8/×16），采用Microwire总线结构。

产品采用先进的CMOS技术，是理想的低功耗非易失性存储器器件。

a）引脚

　　93XX系列串行E2PROM的产品很多，附图是93AA46型1k1.8VMicrowire总线串行E2PROM的引脚图。

　　CS是片选输入，高电平有效。

CS端低电平，93AA46为休眠状态。

但若在一个编程周期启动后，CS由高变低，93AA46将在该编程周期完成后立即进入休眠状态。

在连续指令与连续指令之间，CS必须有不小于250ns（TCSL）的低电平保持时间，使之复位（RESET），芯片在CS为低电平期间，保持复位状态。

　　CLK是同步时钟输入，数据读写与CLK上升沿同步。

对于自动定时写周期不需要CLK信号。

　　DI是串行数据输入，接受来自单片机的命令、地址和数据。

　　DO是串行数据输出，在DO端需加上拉电阻。

　　ORG是数据结构选择输入，当ORG为高电平时选×16结构，ORG为低电平时选×8结构。

b）工作模式

　　根据单片机的不同命令，93AA46有7种不同的工作模式，附表给出在ORG=1（×16结构）时的命令集（表中“S”为Start位）。

ORG=0（×8结构），除在地址前加A6位或在地址后加一位“X”外，其余与附表相同。

3.存储器的对比

EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）是可用户更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。

不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。

在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。

EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。

DRAM断电后存在其中的数据会丢失，而EEPROM断电后存在其中的数据不会丢失。

另外，EEPROM可以清除存储数据和再编程。

综合以上优缺点分析，所以选它。

三、基于RFID的考勤系统设计的系统框图

1.数据流图

数据流图（DFD）是用来描绘信息流和数据从输入移动到输出的过程中所经受的变换，下面两图分别为本文所设计系统的顶层数据流图和中间层数据流图。

顶层数据流图

中间层数据流图

系统结构总图

1）用户登录模块

用户身份验证流程图

2）信息管理功能

在这个功能模块中，又有员工信息的添加、修改、删除，以及部门的添加和删除。

员工信息添加流程图

3）射频卡分配功能

射频卡分配流程图

4）员工出勤情况记录功能

出勤情况主要由考勤机来记录，然后由系统自动统计和分析，但是也有人工添加的功能，以备特殊情况的处理。

但以只能考勤为主。

智能考勤流程图

5）查询功能

查询功能方便用户根据某项条件快速的找到自己所需要的信息，例如符合条件的员工信息，符合条件的IC卡信息和符合条件的员工考勤信息等。

考勤信息查询流程图

6）数据库管理功能

数据库管理功能能帮助一些不会使用SQLServer2005关系型数据库的用户方便的对数据进行附加、恢复、备份和压缩。

系统模块设计

2.数据库概念设计

1）由于在系统的登录及权限涉及到不同的用户，为了区分用户和方便管理，规划出用户信息实体。

E-R图如下图所示。

2）当进行考勤时，需要对每天的考勤信息进行处理，需要进行考勤的填报工作，根据考勤的相关信息规划出了考勤记录信息实体，实体E-R图如下图所示。

3）在查询模块中由于要了解一个月中每个学生出勤情况进行一个统计，因此规划出了考勤信息月统计信息实体，实体E-R图如下图所示。

4）射频卡是每个员工身份唯一标识工号的载体，根据射频卡的相关信息规划出了射频卡信息实体，实体E-R图如下图所示。

四、任务分工及心得体会

本次移动通信课程设计，我担任我们组的组长，主要的任务是和王青设计思路，设计方案选择，分配任务明细，搜集重要参考资料，攻关设计过程中所遇到的难题，请教老师，查阅资料，和组员共同的攻克问题，完成课程设计报告。

由于分工明细，所以大家负担较轻，能较好完成任务，最终完成任务。

我对大家所搜集的资料进行整合和归纳删减，完成设计报告。

通过此次移动通信基于RFID的考勤系统设计，使我对于移动通信技术有了更加深刻的认识与理解，对移动通信产生了更加浓厚的兴趣。

在这次的移动通信课程设计中，我们组分到的课题是基于RFID的考勤系统设计。

刚开始拿到课题，感觉非常的没有头绪。

于是去图书馆帮大家借了点书了解了一些相关知识，然后自己又上网查了好多。

在跟组员们讨论中，大家你一言我一句，欢乐的气氛中也让我知道了好多东西。

我在这次的课程设计中主要负责的是收集资料，说起来容易做起来也不易，不过筛选资料在最后看来本身也是一个学习的过程。

总之很感谢小伙伴们的帮助与指点，也正是因为大家的共同努力，才可以非常成功完成这个课题。

在这次移动通信课程设计中，我主要负责的是有关于RFID系统的原理这部分内容。

虽然我们大家分工明确，每个人都有自己明确的任务。

但整个考勤系统的设计思路与理念是大家集体智慧的结晶。

在这次的团队合作中，我们组每个人都表现得很积极，这也让我们一直处于一种很快乐的讨论氛围。

通过这次课程设计，我学到的不仅仅是有关于RFID系统设计有关方面的知识，还有团队合作的重要性。

这次的课程设计，我们组每个人都很努力，这也使得我们很快就完成了任务。

虽然，我们也会遇到一完成了些难解决的问题，但是在大家的共同努力下，最终我们圆满的完成了任务。

通过本次课程设计，使我对射频识别有了一个新的认识，也增加了自己的自学能力。

当你拿到一个比较陌生的题目时，你不能惊慌，必须通过查询各种资料来解决问题。

一个人的力量是有限的，只有大家都发挥出自己的长处，才能迸发出巨大的能量。

程设计，我的任务是芯片的选择与说明，这个一开始就给我了一些困难，因为芯片的种类很多，大多都具有相同的功能，最终选择了这些，这也使我很欣慰，虽然这次课程设计给我了很大难题，但我还是克服了这些，我收获了很多。