基于TRIZ 理论和Arduino 的考勤系统设计*

王 淦，朱玉杰

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150036）

如今学校采用的考勤方式还是以人工统计为主，其耗时费力、 效率低的问题显而易见，在信息化时代，淘汰此类考勤方式成为必然。 现有的智能考勤方式，例如采用射频识别 （Radio Frequency Identification，RFID） 技术的智能考勤系统和采用ZigBee 组网的智能考勤系统，或多或少都存在着一定的弊端，例如组网会伴随着速率低、 传输量小、距离近等问题，在疫情等特殊情况出现时这些考勤方式也难以应对。 目前，将TRIZ 理论应用在考勤终端设计的文献较少，本文将沿着这个方向进行研究与设计。

1 TRIZ 理论概述

TRIZ 理论是由根里奇·阿奇舒勒提出的寻找发明问题创新性解的一套理论，在其眼中创新发明所面对的基本问题在某种程度上具有一定的相似性，在这一思想的指导下，他与其他科学家对数百万的专利文献进行整理、 归纳，研究出了TRIZ 理论[1]。该理论的核心理念是在冲突中寻找理想解，让创新设计变得不再抽象，而是更具象化、 更有操作性[2]。TRIZ 解决问题的一般流程见图1。

图1 TRIZ 解决问题的一般流程

2 现有智能考勤方式分析

目前，市场上使用的考勤终端大多以STM32单片机为控制主板，再配以液晶屏来简单地实现打卡任务，并没有其他附加功能，不能适应突发情况下的考勤工作，比如在疫情防控期间不能通过测量体温来确保人员的安全，而且考勤记录存储于机器中，不能实时查看。 STM32 单片机对编程环境的要求较高，需要特定的编程软件并熟练掌握才能完成产品的开发[3]。有的方案是通过ZigBee 无线组网解决原有产品的数据信息传输问题，但是面临着低速率、 连接不稳定、 考勤缓慢等问题，还需要租用专门的服务器来保证数据传输和终端的运行，成本极高，不利于大规模推广[4]。 在疫情防控的特殊时期，人员的身体健康至关重要，一旦出现感染者就会在学校等密集场所迅速传播，造成极为严重的影响，因此有一个能减少接触、 保证人员健康的考勤系统非常必要。

3 基于TRIZ 理论的创新设计

3.1 冲突分析

在冲突中寻找发明问题的实际解是TRIZ 理论的核心思想，所以找出技术冲突是进行TRIZ 理论创新设计的基础。 本文对现有考勤终端进行分析，并结合疫情下高校学生管理实际[5]和机械创新设计的原则[6]得出下列方案。

1） 硬件选择方面，要设计简单、 成本低廉，采用Arduino Mega2560 作为主控板。 与其他STM单片机和树莓派相比，Arduino 配有完善的生态环境和开源的集成开发环境 （Integrated Deve1opment Environment，IDE） 可进行所需功能的开发，同时Arduino 的硬件成本和设计成本都相对较低[7]。

2） 程序编写方面，Arduino 的开发不需要特定的系统和编程语言，只需要基本的C 语言配合IDE编程软件就可以进行程序的编写调试，从而实现特定的功能。

3） 功能方面，采用指纹识别方式进行基本的考勤打卡任务，准确度高、 响应速度快。 除基本的考勤功能外，引入红外体温检测模块，在实现打卡功能的基础上对人员的体温进行检测，为身体健康提供保障。

4） 数据管理方面，引入Wi-Fi 模块，将考勤数据和体温数据通过网络传送至物联网云平台，在云平台上对数据进行实时管理。

冲突分析见表1。

表1 冲突分析

3.2 技术矛盾转化

根据TRIZ 理论，将上述优劣势和39 个通用工程参数进行匹配转化来表达其技术冲突，见表2。

表2 技术冲突转化

3.3 基于阿奇舒勒矛盾矩阵的分析

在对考勤机进行技术冲突分析后，本文利用已经转化后的工程参数并查阅阿奇舒勒冲突矩阵，得出如下矛盾矩阵，详细参数见表3[8]。

表3 阿奇舒勒矛盾矩阵

矛盾矩阵可以直观地显示为解决冲突所需要的发明原理，即寻找改进参数与恶化参数相对应的行和列，交叉处显示的序号即为对应的发明原理的序号。 对发明原理进行归纳与整理，考勤终端最终采用的发明原理[9]为： 分割原理、 多用性原理、 动态性原理、 自服务原理、 替代机械系统原理。

3.4 发明原理的创新设计

根据上文确定的发明原理，对考勤终端做出以运行高效、 功能多样、 数据管理快捷为目的的创新设计方案。

1） 分割原理。 将考勤终端进行模块化设计，分为Arduino 主控器、 信息收集模块、 无线Wi-Fi传输模块，见图2。

图2 分割原理的模块化设计

Arduino主控器主要起到对装置进行总体控制和运行处理的作用，采用Mega2560 的板子，闪存大可以快速实现较为复杂的功能，这也使其具有了良好的扩展性能。 信息收集模块包含红外体温检测模块和指纹识别模块两部分，该模块承担了主要的信息收集任务。 考勤终端具体的电路设计见图3。

图3 考勤终端的电路设计原理图

2） 多用性原理。 通过增加红外体温传感器和Wi-Fi 传感器并与物联网云平台相连，设计出一种带有体温检测功能的智能物联网考勤终端，在满足疫情下进行考勤任务的同时对人员的身体健康起到一定的保障作用。 该设计提高了考勤效率，丰富了考勤终端的功能，实现了一机多能和智能化。

3） 动态性原理。 将装置的硬件设计为可替换的模块，便于及时进行硬件的更新和功能的改变，利于装置的升级更新。 指纹识别是装置的基本功能，而体温检测是针对疫情而附加的特殊功能，目的是监测人员是否健康。 将红外传感器所在位置与装置的连接设计为可拆卸、 可变更的，这样便可以根据不同的应用环境变更红外体温传感器，例如5G 普及后可将Wi-Fi 模块更新为5G 网络通信模块来提高传输效率。

4） 自服务原理。 该原理需要装置在实现既定功能时实现自我服务。 应用到考勤终端中，是在进行考勤任务时用指纹比对算法来训练传感器，使其能够快速准确地对指纹进行识别与匹配。 对体温检测传感器的算法也要进行实验，不断从实验结果中修正算法，使装置能够从手腕部分得到较为准确的实际体温，以此来保证所收集信息的准确性，装置的功能也能正常实现。

Arduino 的主程序头文件如下。

5） 替代机械系统原理。 在疫情期间，为了减少接触并且实现智能化管理，应将考勤信息实时传输到物联网云平台，把数据保存到云服务器中，而不是存储在装置的机械硬盘中。 这样不但提高了数据的安全性，而且省去了人为拷贝考勤信息这一环节，一定程度上避免了人力资源的浪费。 在物联网云平台，处理数据可使用相应的软件程序，从而更加便捷地对信息进行处理与整合，提高工作效率，也顺应了未来的发展趋势——万物互联。

4 智能考勤系统的测试

4.1 装置运行

样机实物及测试见图4，用户在使用过程中可以登录OneNET 官网查看考勤数据。

图4 样机实物及测试

为测试装置的功能能否正常实现以及采集的温度数据是否准确，让5 名同学执行考勤任务，并使用体温计进行温度采集，再与云平台上的体温数据进行比较，分析误差。 预设装置的体温测试精度为±0.1 ℃，范围为35～42 ℃。 测试数据见表4。

表4 体温测试数据

测试结果显示装置存在一定的误差，但误差基本都在0.1 ℃范围内，装置运行正常，符合实际使用要求。

4.2 装置的实际应用效果分析

为了验证基于TRIZ 理论的考勤终端的实际应用效果比普通终端更好，本文采用工业工程中的模特法（MOD） 对从测量体温开始到考勤结束整个流程进行分析比对[10]。

使用普通考勤装置的流程： 一是左手拿起体温计，右手等待； 二是对准右手胳膊，右手等待； 三是放回体温计，右手等待； 四是右手放在考勤终端上，左手等待； 五是右手放回，左手等待。 双手作业不同步，造成了时间的浪费，整个流程下来共计29 MOD。 在模特法中，1 MOD=0.129 s，代入公式，得到标准时间为3.741 s。

使用创新终端装置的考勤流程： 一是左手对准体温传感器，右手对准指纹传感器； 二是等待终端结果； 三是双手放回。 整个流程共计10 MOD，标准时间为1.29 s。

使用两种装置的时间差=3.741 s-1.29 s=2.451 s，效率大约提升了66%。

由上述分析可知创新设计的终端将考勤任务由一项一项逐次进行转化为双手同时作业，大幅节约了时间，提高了考勤效率，减少了考勤拥堵的可能，可认为改善效果较为明显。

5 结束语

本文以TRIZ 创新设计理论为基础进行冲突分析，再辅以阿奇舒勒矛盾矩阵得出解决冲突所需的发明原理，并对考勤系统进行创新设计，得到了功能更丰富、 更智能、 更高效的考勤系统。 为了验证终端在疫情下的实际效果，采用工业工程的理论知识，应用模特法进行实际流程分析，得出该考勤系统使考勤流程得到了优化和改善。