实验室智能考勤与管理系统设计
作者 :  廖红梅

  摘要:为提高实验室管理效率,科学管理实验设备,快速方便地完成考勤工作,设计了一种基于校园卡的实验室智能考勤与管理系统。系统由智能终端和上位机管理系统软件两部分组成。智能终端以ATmega16为核心,具有RFID读写、LCD显示、Zigbee无线通讯等功能模块,与上位机采用Zigbee无线通讯方式完成各种数据传输。管理系统软件可以完成通讯参数设置、各项数据的存储、查询及报表打印等功能。系统具有良好的稳定性,能够很好地满足现代实验室管理的要求。
  关键词:校园卡;考勤;RFID;Zigbee;数据库
  中图分类号:TP393.18
  文献标识码:A
  DOI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.018
  0 引言
  随着计算机应用的普及,数字化、信息化、网络化的实验室管理手段逐渐得到推广和应用,国内的高等院校也普遍建设了开放型实验室,学生可以通过网络等方式进行实验预约,在一定程度上对实验室管理实现了数字化、网络化,提高了实验室的管理效率。但是仍要看到实验室的管理方面还有很多不足,如实验的具体开出时间、参与实验的指导教师和学生姓名人数、实验装置的使用情况等仍需人工进行记录统计,工作繁琐、方法落后,因此结合实验室的实际应用需求,研究设计了基于校园卡的实验室智能考勤与管理系统。该系统利用已在大学校园里普遍使用校园卡(一卡通)完成实验考勤、实验开出时间、设备利用情况、指导教师姓名等信息的自动记录保存,方便进行相关信息的统计查询,提升了实验室管理水平,促进了高校实验管理的规范化、科学化、现代化。
  1 实验室智能考勤与管理系统方案设计
  1.1 系统构成
  本系统由智能终端(下位机)和智能管理软件(上位机)两部分构成,如图1所示。在每个实验台位安装一台智能终端,实验学生在开始实验和完成实验时在智能终端上刷校园卡,智能终端自动将实验学生卡号(学号)、姓名、开始时间、完成时间、实验台号、实验设备状态等各项数据,通过Zigbee无线通讯将数据传输至上位机,上位机的管理系统软件完成各项数据的自动接收、记录、存储,以及进行有关数据查询、生成打印报表等工作。
  1.2 智能终端
  如图2所示,智能终端硬件结构由MCU及存储器部分、RFID读写部分、Zigbee无线通讯部分、人机接口部分及数据采样部分等组成。
  由于智能终端所需处理的数据量不大,对数据的实时性、数据处理速度等要求不高,因而MCU微处理器采用基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega16。
  RFID读写功能采用MF RC500S032实现。MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持IS014443A所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达lOOmm),接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路,用于ISO14443A兼容的应答器信号。此外,它还支持快速CRYPTO1加密算法用于验证MIFARE系列产品。采用并行接口可与8位微处理器方便的直接连接,为读卡器终端的设计应用提供了很好的便利性。
  学生凭校园卡在读卡器上刷卡,读卡器可以读取校园卡内学生的基本数据,如学号、姓名、所在院系、专业、班级等,对收费性场所如计算机机房、图书馆电子阅览室等可以读取卡内存储金额,并根据使用时间自动完成扣费的读写操作。
  智能终端将获取的学生数据和与实验相关数据(如设备编号、开始实验时间、完成实验时间、设备运行参数等)与上位机采用Zigbee无线通讯模式进行数据传输。Zigbee是一种目前广泛应用的无线连接技术,具有低成本、低功耗、低复杂度的特点,适合低传输速率、近距离的设备联网应用的通讯模式。Zigbee标准基于802.15.4协议栈建立,具有强大的设备联网功能,支持三种主要的自组织无线网络类型,即星型结构、网状结构和簇状结构,特别是网状结构,采用多跳式路由通信,网络容量大,可以跨越很大的物理空间,适合距离较远比较分散的结构。Mesh网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能,网络的所有实体只要在通信范围之内,都可以互相通信。如果没有直接通路,还可以通过“多级跳”的方式来通信,该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络。利用Zigbee自组网特性可以实现在整个实验空间的数据传输链路,满足组建无线数据通道要求。
  智能终端的Zigbee无线通讯模块采用基于FREESCALE半导体的MC13213产品。MC13213是第二代标准Zigbee无线通信平台,集成了低功耗的2.4GHz RF收发器、8位微控制器和60kB的闪存,MC1321x解决方案能在简单的点对点连接到完整的Zigbee网状网络中用作无线连接。MC1321x中的RF收发器和802.15.4标准兼容,包括了低噪音放大器、ImW的RF输出功率、带VCO的功率放大器(PA)、集成的发送/接收开关、板内电源稳压器,以及全扩展频谱的编码和译码。MC1321x中的微控制器是基于HCS08系列微控制器单元,具备高达60kB的闪存和4kB的RAM。
  数据采样部分可以根据实际使用场所需要设置,用以对实验装置的各项工作状态参数,如工作电压、电流、温度、故障信息等各种参数进行测量监视。
  2 智能管理软件设计
  智能管理系统软件部分的基本功能设置如图3所示。
  智能管理系统软件利用Visual Basic 6.0编程实现,软件的后台数据库选用Access数据库。VisualBasic是微软公司开发的编程设计软件,也是基于Windows操作系统的可视化编程环境,可以在较短时间内开发出专业的管理系统软件。实验室智能考勤与管理系统软件各部分功能设置及实现方式介绍如下:   (1)系统登录管理模块。智能管理系统的登录由实验指导教师在每次实验时凭个人登录号和密码登录,登录后进入实验项目选择,之后系统自动将指导教师的工号、姓名、实验日期、时间起止、实验项目等数据保存在“教师指导情况数据表”内,便于学期末进行统计管理。
  (2)通讯参数、模式设置模块。该模块用于设置上位机管理系统软件与下位机的通讯协议各项参数,实现对下位机数据的自动接收、终端显示及完成数据存储工作。通讯模块程序实现是利用Visual Basic6.0的MSCOMM控件编程实现。MSCOMM控件通过串行端口传输和接收收据,为应用程序提供串行通信功能。通过设置该控件的属性、方法,设置串口通讯参数,如串口号、通讯波特率、校验位、停止位等,实现上下位机的通信。图4所示为设计状态下的通讯窗口,运行时,利用窗口的text框控件可以实时显示各智能终端的上传数据,用以判断通讯是否正确。
  (3)学生实验情况数据表。学生实验数据表用于记录实验学生的相关信息,包括学号(卡号)、姓名、院系、专业、班级、实验装置编号、实验日期、实验起止时间、实验项目以及收费情况等数据。
  (4)实验室设备数据表。实验室设备数据表用于记录保存实验设备的有关信息,包括设备编号、型号、生产厂家、购买日期、性能情况、各次维修记录等各项数据。
  (5)教师指导情况数据表。教师指导情况数据表用于记录教师的实验指导记录,包括教师工号、姓名、指导日期、实验起止时间、指导实验项目名称、规定学时、实验情况记录备注等数据。
  (6)查询及统计报表生成模块。该模块功能提供各种实验相关的信息查询和报表打印功能,可以根据实验时间、学生姓名或学号、学生班级、教师姓名或工号、设备编号等提供查询信息及生成各类报表。
  (7)数据安全与维护模块。为确保数据安全,系统软件设计了自动备份、手动备份、手动恢复以及压缩数据库功能。数据备份设计了自动备份和手动备份功能。自动备份是在系统运行时,每隔一定时间自动将相关的数据文件保存到指定路径下,间隔时间和保存路径由工作人员提前设定(默认为1天备份1次)。手动备份是由工作人员手动操作,将数据库文件拷贝到其它的存储设备上,如移动硬盘或U盘等设备。
  3 结论
  实验室智能考勤与管理系统充分利用了校园师生人手一卡的基础条件,以Zigbee无线通讯方式实现智能终端与管理系统上位机的数据传输,系统能够方便地实现查询及打印学生实验考勤功能、教师指导实验统计功能及设备使用历史记录功能等,实现了实验室管理的自动化、数字化、规范化、网络化,实现了无纸化实验办公。系统测试结果显示其具有良好的稳定性,能够很好地满足现代实验室管理的要求。该系统硬件装置和软件还可以根据需要用于机房管理、大型重要实验设备管理及上课考勤等场所。