基于蓝牙和校园WLAN的课堂考勤系统设计*

李新春， 魏 武， 贾宝山， 纪小璐， 彭成万里

(1.辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2.辽宁工程技术大学 研究生学院，辽宁 葫芦岛 125105)

0 引 言

考勤系统是用于考核和记录被考核人员是否按时出勤的管理系统，最初是为企业所设计[1]，而后被高校引进用于学生考勤，考勤结果作为教师评价学生日常表现、学校掌握学生上课状况以及分析改进教学方向的重要依据。

目前，大多数高校采用教师点名方式考勤，不仅效率过低，而且不可避免存在代替答到的现象。为弥补点名考勤方式的不足，引入射频识别(radio frequency identification,RFID)考勤，以射频卡作为学生身份标志，此方式提高了考勤效率，却因需要携带射频卡而产生负担。为此，市面上出现了指纹、人脸识别等新一代考勤机，虽大大提高了识别准确率和考勤效率，但成本高昂、操作复杂，且前期信息录入耗时长[2]。针对课堂这种人员密度大、空间狭小的应用场景，全球定位系统(GPS)和蓝牙考勤技术应运而生，但GPS在室内空间定位准确率较低，而蓝牙在室内环境下却有稳定表现。此外，市场现有考勤系统的数据传输都是基于WiFi，但不支持局域网，而高校大多有独立无线局域网(wireless local area network，WLAN)建设基础，因此,高校亟需一种适合自身实际使用环境的考勤系统。

针对上述问题，本文设计了一种基于蓝牙和校园WLAN的课堂考勤系统，以STM32处理器为核心，以学生手机蓝牙MAC为学生唯一身份标志，结合蓝牙技术及WLAN，为高校提供一种可靠、便捷、稳定的考勤系统。最终通过实际应用环境测试,验证了本设计系统的可行性、可靠性和稳定性。

1 总体设计方案

考勤系统由蓝牙考勤终端、手机管理App以及教学考勤管理系统组成，提供定时、手动考勤模式，可由教师端App灵活选择不同模式或组合，以提高考勤系统的约束性，减少逃课、早退等不良现象的发生。定时模式中教师可选择考勤间隔，自动进行两次考勤；手动模式可以满足任意时刻考勤需求。前期采集信息时，学生在学生端App注册上传姓名、手机蓝牙MAC等信息至教学考勤管理系统存储。考勤时，教师连接校园WLAN，在教师端App选择考勤模式，从教学考勤管理系统下载学生考勤信息，通过蓝牙传输至考勤终端，终端自动扫描获取范围内蓝牙信号MAC与终端存储的MAC比对标记，考勤结果由教师端App上传保存至教学考勤管理系统。图1为考勤系统整体架构。

图1 考勤系统整体架构

2 考勤系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

考勤系统硬件部分结构如图2，主要有STM32主控、搜索/传输蓝牙模块、数据交换模块、时钟、OLED液晶显示以及工/备电源模块。

图2 考勤机硬件系统结构

2.2 信息处理与信息显示设计

信息处理及信息显示设计包含STM32主控、时钟以及OLED液晶显示电路设计。

2.2.1 主控电路设计

主控电路负责控制各模块运行时序，识别考勤模式，处理与App的数据传输，处理显示相关信息。主控芯片采用STM32F103RCT6，自带256 K字节FLASH，工作频率可以达到72 MHz[3]，满足大数据存储和处理需求。如图3，主要由复位、程序调试接口及Flash存储电路组成。

图3 主控电路原理

复位电路：用于复位STM32F103RCT6芯片，由一个电容和一个电阻组成一阶RC电路[4]，当RESET有两个机器周期高电平时，系统即被复位。

程序调试接口电路：STM32支持JTAG和USB转串口接口下载调试程序。由于USB转串口接口只需两根线，故选择使用USB转串口接口。

Flash存储电路：用于掉电数据保存。采用W26Q16作为FLASH存储芯片，挂载主控芯片SPI串口，用于存储程序和重要数据，使其掉电不丢失。

2.2.2 时钟电路设计

如图4所示，采用DS1302实时时钟芯片设计时钟电路，提供时间信息，供参考及在定时模式中计时考勤间隔。该模块由5 V和3.3 V双电源供电，以保证掉电不掉时[5]。芯片内部电路对外接的32.768 kHz晶振分频后获得周期为1 s的秒信号，对秒计数获得分、时、日、周、月、年并寄存在芯片内部[6]，通过三线接口供主控读取。

图4 实时时钟电路

2.2.3 显示电路设计

采用I2C接口OLED液晶屏显示信息，通过双向二进制同步串行总线SDA(数据)和SCL(时钟)与主控交换数据与指令[7]。芯片内部集成总线接口，并设计滤波电路，滤去总线上噪声干扰，因此，使用I2C总线可以降低硬件电路PCB布线冗余，提高了系统可靠性。

2.3 蓝牙模块

终端由蓝牙模块扫描获取学生手机蓝牙MAC完成考勤，再通过蓝牙与手机App传输考勤信息。为避免造成控制混乱及传输误码，故取两个蓝牙模块完成上述工作，称为搜索蓝牙和传输蓝牙。为简化程序设计，均采用同一型号即XY—MBD07A，分别通过USART2,3串口与主控连接。此蓝牙模块集成蓝牙4.2LE+BR/EDR双模芯片、蓝牙协议基带以及高增益射频PCB天线，同时支持主从模式，满足本设计扫描和传输需求。

2.4 数据交换模块设计

该模块负责连接U盘供主控存取考勤数据，采用CH376S文件管理芯片，支持常用存储设备，支持8位并口、SPI接口和异步串口通信[8]。由单独低压线性稳压器AMS1117—3.3将系统输入电源降至3.3 V供电，利用USB-A接口座连接U盘，并由主控通过模拟SPI通信接口控制CH376S芯片存取U盘中文件。

2.5 工/备电源模块设计

为满足5 V和3.3 V模块电压需求，设计工/备电源电路如图5。以DC 5 V适配器电源VDC为工作电源，3.7 V锂电池VBattery为备用电源，由PMOS管控制选择输出。工/备电源同时输入时，VDC>VBattery，PMOS管关断，工作电源供电，并通过充电芯片TP4054给锂电池充电；若工作电源中断或需移动使用，VDC

图5 工/备电源电路

3 考勤系统软件设计

3.1 STM32软件设计

STM32软件设计主要包括系统主程序、蓝牙搜索和传输程序、数据交换程序、时钟程序和显示程序。

1)系统主程序：初始化系统，检测U盘连接，若检测到，判断考勤模式，根据考勤模式执行考勤，否则继续检测U盘。执行考勤时检测系统工作状态，根据各状态运行条件执行对应操作。

2)蓝牙搜索和传输程序：配置USART2,3串口引脚，初始化模块，通过内置的AT指令完成扫描、获取MAC及传输等功能。

3)数据交换程序：配置模拟SPI接口引脚，初始化模块，提供连接测试、指令读/写、数据读写/发送等子程序供系统主程序调用。

4)实时时钟程序：配置连接引脚，初始化模块，依次储存7个字节时钟信号：秒分时日月周年，待调用显示[9]；计时考勤间隔，供主程序判断是否开始考勤。

5)显示程序：配置I2C总线，检测显示屏，初始化模块，提供字节读/写、字符串/汉字等数据显示子函数[10]。最终显示4行信息：终端名称、应到和实到人数、终端工作状态和时间。

3.2 手机管理软件设计

手机管理App功能设计如图6，分为学生端、教师端和管理员端，负责考勤信息的采集与传输处理。

图6 应用软件功能设计

学生端：注册上传姓名、蓝牙MAC等信息；“查看”功能查看考勤状态，若出勤但考勤失败可通过“申诉”功能申诉；若需变更信息，则由“修改信息”功能提交申请，等待管理员处理。

教师端：“创建课程”功能从考勤管理系统下载该课程考勤表；“发送考勤表”功能将考勤表发送至终端；“上传考勤表”将考勤结果上传至考勤管理系统保存；“查看”功能查看本账号考勤结果及审核学生申诉。

管理员端：主要负责处理学生修改信息申请及日常管理。

3.3 教学考勤管理系统配置

考勤系统需存储和管理大量师生信息及考勤数据，考虑到管理的自主性以及信息的安全性，故选择建立数据库管理系统，以实现师生信息、考勤数据的安全存储与独立管理。

采用SQL Server 2008数据库管理系统，使之能够有效地存储管理数据[11]。工作时，手机连接校园WLAN，通过配备的独立内网IP跳转连接至管理系统，下载和上传师生信息和考勤数据，其功能设计如图7。

图7 管理系统功能设计

师生信息管理：存储工/学号、手机蓝牙MAC等信息，方便管理人员整体掌握与查看师生信息。

考勤信息管理：将学生信息以班级为单位列表存储，以待教师端App下载考勤；接收存储教师端App上传的考勤结果。

信息变更管理：对审核通过的信息修改及学生申诉进行对应变更，以保证师生信息的实时性和考勤结果的准确性。

4 系统测试

为测试考勤系统，特选取一工作日在三种典型教室(阶梯教室、专用教室、实验室)中各放置一台考勤终端。管理系统中考勤结果如图8所示(以《通信原理》课程为例)，结果统计见表1。

图8 考勤结果

表1 考勤结果统计

在射频实验室中由于射频设备的影响，一名出勤学生出现考勤失败情况，在App申诉并经当堂教师App审核，管理系统及时修改了其考勤结果。测试表明考勤终端、手机管理App及教学考勤管理系统均能准确稳定运行。

5 结束语

设计了基于蓝牙和校园WLAN的课堂考勤系统，蓝牙考勤终端扫描获取学生手机蓝牙MAC完成考勤，考勤结果由手机连接校园WLAN,使用App上传至管理系统保存。实际课堂测试结果表明，该考勤系统具有良好的可行性和可靠性，不仅实现了预期功能，满足实际使用要求，且与现有考勤系统相比，具有考勤模式灵活、传输方式多样、移动便携性强、功耗成本低等特点。