基于单片机的无线签到系统

杨登辉,齐晓松,于淼,朱少光,左现刚,贾蒙

（1.河南科技学院信息工程学院,河南新乡453003；2.新乡学院机电工程学院,河南新乡53003）

基于单片机的无线签到系统

杨登辉1,齐晓松1,于淼1,朱少光1,左现刚1,贾蒙2

（1.河南科技学院信息工程学院,河南新乡453003；2.新乡学院机电工程学院,河南新乡53003）

设计了一种基于单片机的无线签到系统.系统以单片机为信息采集与处理核心,智能手机为应用与控制平台,结合利用WIFI模块、GSM模块、RFID射频模块、指纹识别模块、语音模块、LCD显示模块、SD卡模块、时钟模块等形成系统硬件结构,并具有手机App远程调控与查看功能,实现了无线签到的智能化和便捷化.

FRID；无线签到；Android；手机APP

随着RFID及嵌入式技术的迅猛发展,智能化手机软件给我们的生活带来了诸多便利[1].在社会生活中,签到系统广泛应用在大众生活的方方面面[2],如会议签到[3]、职工签到、学生签到、会员考勤等.但目前签到系统在成本控制及便利性、安全性等方面存在着诸多的弊端[4].本文利用无线嵌入设备结合智能云及安卓手机设计了一种便利、智能、低成本、高效化的无线签到系统.

1 签到系统整体设计

系统采用硬件+软件+云服务器相结合的设计,系统框图如图1所示.系统底层采用微处理器MCU控制的单片机硬件系统,用于用户签到信息的采集.向上是手机软件部分,手机作为多元信息交互的载体[5],方便信息采集的展示及签到系统的控制.云服务器是单片机硬件部分与手机软件部分相结合的物理载体,通过相应的API接口和云服务器,实现数据的实时交互及处理.

图1 系统框图Fig.1 System diagram

与传统签到系统相比,本系统采用RFID射频卡,通过指纹识别的方式签到,且硬件部分完全独立设计,只需提供供电设备及所需联网环境即可工作,数据实时同步云端,手机端方便查看签到信息及控制底层签到系统的开发与关闭[6].

2 系统硬件设计

系统硬件由单片机、LCD显示器、GSM模块、WIFI模块、RFID射频模块、RFID射频卡、指纹识别模块、语音模块、SD卡模块等组成.架构如图2所示.

图2 系统硬件架构Fig.2 Hardware system architecture

2.1 单片机硬件最小电路

单片机硬件电路采用ATMEGA328P-PU为MCU,该芯片是由Atmel公司开发的八位元AVR精简指令型微控制器.具有高性能、低功耗、RISC架构先进、内存段高耐用非易失等优点.上电复位和可编程欠压检测,内部振荡校准,具备多种睡眠模式.其最小系统设计如图3所示.

图3 最小系统框图Fig.3 Minimum system block diagram

2.2 指纹识别模块

指纹处理包括两部分,指纹登记和指纹匹配（匹配可以是1∶1或1∶N）.登记时,用户需要输入指纹两次.系统处理两个时间的手指图像,生成基于处理结果的手指模板和存储模板.当进行匹配动作时,用户指纹通过光学传感器输入,生成手指的模板与系统的手指文库模板进行比较[7].对于1∶1配套,系统将要比较的模板与特定的手指模板进行比对；对于1∶N的匹配,当搜索时,系统会搜索整个手指库的手指模板.在这两种情况下,系统将返回成功或失败的匹配结果.

指纹模块与单片机系统通信方式为串口通信,模块属于Slavemode,host通过串口给模块发送不同的指令让模块做出不同的响应,以达到控制的功能,指纹模块的应答动作及数据交换格式都是按照规定的数据包进行响应的[8].主机指令包/数据包格式为厂商自行定义,可分为3类：①命令包,包标识=01；②数据包,且有后续包,包标识=02；③结束包,包标识=08.指令应答是将模块执行的结果和状态反馈于主机,应答命令包含参数,后面可以跟后续数据包.命令包、数据包、结束包和指令应答包格式分别如表1至表4所示.

表1 命令包格式Tab.1 Command package format

表2 数据包格式Tab.2 Packet format

表3 结束包格式Tab.3 End the package format

表4 指令应答格式Tab.4 Instruction response format

2.3 无线通信模块

无线通信模块由WIFI模块和GSM模块组成.

WIFI是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术.系统中WIFI模块采用ESP8266芯片模块, ESP8266是一个完整且自成体系的WIFI网络解决方案,能够独立运行,也可以作为slave搭载于其他Host运行,支持station、softAP、station+softAP共存3种模式[9],具有价格低廉、组网方便快捷且灵活、能够独立运行、较好的数据传输率与系统稳定性等优点.

GSM（globalsystem formobile communication）即全球移动通信系统,世界多数的手机都采用该系统. GSM模块实际上是一个GSM调制解调器,具有850/900/1 800/1 900MHz4种工作频率.

WIFI模块采用串口通信的方式与MCU进行数据交换.ESP8266支持AT指令集,即Attention,单片机系统通过UART向WIFI模块发送相应的AT命令[10],控制WIFI模块不同工作模式.本系统使用AT指令有：“AT”检测模块是否成功连接；“AT+CWMODE”查询工作模式；“AT+CWJAP”加入AP；“AT+CIPSTART”连接服务器；“AT+CIPSEND”发送数据长度.每个AT指令执行完毕后,执行单位均会返回一个状态值,有“OK”、“ERROR”、和命令相关的错误原因字符串三种情况.

GSM模块与WIFI模块连接方式相同,均通过串口方式连接MCU,且同样运用AT指令进行控制.

2.4 RFID模块

RFID（radio frequency identification）射频技术,又称无线射频识别技术,是使用无线电波来自动识别人或物体的技术的总称.RFID有几种识别方法,最常见的是存储一个序列号,标识一个人或对象,也可识别其他序列号的信息,其卡片内部有一个微芯片连接天线,芯片和天线一起被称为RFID应答器和RFID标签.该天线使芯片能够将识别信息发送给读取器,读取器将RFID标签反射回来的无线电波转换成数字信息,然后将这些信息传递给微控制器加以利用[11].

RFID射频读卡器原理图如图4所示.

图4 射频读卡器原理Fig.4 RFcard readerschematic

卡读写设备（读写器）是连接RFID卡与应用系统间的桥梁,其基本任务是启动RFID卡,并与RFID卡片建立通信连接,主要在单片机等应用系统中传递数据.读写系统设备架构组成如图5所示.

图5 读写系统设备架构组成Fig.5 Theequipmentarchitectureof read and write system

RFID读写模块与MCU采用SPI通信方式,其通信接口为SDI、SDO、SCLK、CS.

3 系统软件设计

3.1 服务器功能设计

云服务器应用采用IC2Cloud提供的视觉语言,语言块具有自我解释功能.硬件设备通过WIFI模块/ GSM模块连接到互联网中,通过相应的API接口向服务器发送和接收相应的数据指令.所有API调用时首先进行HTTP基本认证,授权头的结构如下：①用户名和密码,合并成一个字符串“用户名：密码”；②将得到的RFC2045-MIME编码转变为Base64编码的字符串；③将授权方法和一个空间即“基本”放在编码字符串之前.相应接口使用方法说明如下：

Set：设置一组信号的值.

Push：更新在队列的一组信号的值,如图6所示.

图6 更新队列值Fig.6 Update the queue value

Get：得到的一组信号的值.

Pop：取队列中的值设置成一组信号值,如图7所示.

图7 取队列值Fig.7 Take the queue value

Peek：取队列中的值设置成一组信号值,和pop返回值的方法相同,但没有提取队列中的值,如图8所示.

图8 复制队列值Fig.8 Copy the queue value

Popall：取队列中的值设置成一组信号值,并且清除队列；

Peekall：取队列中的值设置成一组信号值,返回popall方法一样的值,但没有清除队列中的值.

3.2 Android界面

Android是一种操作系统,主要使用于移动设备,其基于Linux内核的开放源代码,由Google的Open HandsetAlliance领导与持续开发.采用Android studio进行Android软件开发.

Android软件开发对开发者而言功能完备,可以应对各种项目的调试与开发.本系统中Android软件为管理方,在签到系统中是不可分割的部分,它主要提供友好、方便的操作界面,并完成签到系统中所需功能[12],设计完成后的软件主界面如图9所示.

图9 用户手机APP软件主界面Fig.9 APPsoftwaremain interface ofuserphone

软件系统直接通过网络端API接口与云服务系统进行交互,确保了用户签到数据的正确性和唯一性.相应API接口由第三方服务提供.

4 实验验证

为验证签到系统的可行性、可靠性、实用性,以河南科技学院某班级学生为对象,对学生签到情况进行自动化控制测试和实时数据统计.下位机系统初始化阶段,通过连接到MCU处理器上的按键选择WIFI联网模式,单片机接收到签到信息,处理数据并通过网络由服务器传输至手机移动端,并结合手机安卓端的微数据库实时记录签到人的信息、签到次数、签到时间等数据并实时同步云平台[13].签到信息统计如图10所示.

图10 签到信息统计Fig.10 Sign in information statistics

由图10中数据可知,移动端实时显示了用户当天签到状态由红色（注：浅色）标记转为黑色标记,当天签到完成,数据库记录签到时间与签到总次数.经测试系统使用便捷、稳定可靠.

5 小结

本文利用硬件系统、软件系统和与云服务器相结合设计了一个无线签到平台,该签到系统具有成本低廉、用户体验性良好、签到过程方便快捷、签到信息实时同步、数据管理及控制高效等优点,具有较好的市场前景.

[1]张宝剑,刘艳昌,赵明富.基于nRF905的无线表决控制系统设计[J].液晶与显示,2013,28（5）：752-758.

[2]谢芳艺,刘彩霞.公共安全行业RFID应用标准化研究[J].经济师,2015（9）：287-288.

[3]张晨亮,凌云峰,王文,等.基于RFID的实验签到系统设计与实现[J].现代电子技术,2015,38（1）：106-108.

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[8]龙浩然.基于指纹识别的协同办公自动化系统的设计与实现[D].青岛：中国海洋大学,2015.

[9]范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,16（9）：52-56.

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[11]田洪普,单志勇,张亚冰,等.一种RFID标签天线的设计[J].计算机科学,2016,43（增刊2）：308-310.

[12]陈甫.Android Studio应用[J].电脑知识与技术,2014（24）：5659-5661,5666.

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（责任编辑：卢奇）

W ireless check-in system based on MCU

YANG Denghui1,QIXiaosong1,YU Miao1,ZHU Shaoguang1,ZUO Xian'gang1,JIA Meng2
（1.Schoolof Information Engineering,Henan Instituteof Scienceand Technology,Xinxiang453003, China；2.Schoolof Electrical Engineering,Xinxiang College,Xinxiang 453003,China）

A wireless sign-on system based on single-chip microcomputer was designed in this paper.The singlechip microcomputer was used as the information acquisition and processing core of the sign-in system.The smart phone was used as the application and control platform of the system.The WIFImodule,the GSM module,the RFID module,recognition module,voice module,LCD display module,SD card module,the clock module were used to form the system hardware structure,and the system had mobile phone App remote control and view function,to achieve a wireless sign to the intelligentand convenient.

FRID；wireless sign；Android；mobile APP

TP273.5

A

1008-7516（2017）03-0072-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.012

2017-04-24

国家自然科学基金项目（61501391）；河南省科技攻关计划项目（172102210083）

杨登辉（1994—）,男,河南周口人,本科生.

左现刚（1976—）,男,河南开封人,讲师.主要从事物联网技术及嵌入式系统应用研究.