【毕业学位论文】（Word原稿）基于RFID的教室智能考勤系统设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于 姓 名： 王江岩 学 号： 0921170232 所在院系： 软件学院 职业类型： 在职 专 业领域： 工程硕士 指导教师： 刘岩 副 指导教师 ： 刘英 二 一 二 年五月 A in 2012 0921170232 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人 郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕 /博士学位论文 摘要 I 摘要 现今大学课堂 教学考勤管理大多采用人工考勤方法，这种考勤方法耗时多，影响上课质量，信息量太少，而且考勤统计结果不易，针对缺勤结果不能第一时间发给相关责任人，存在管理盲区。因此迫切需要先进的考勤方法来解决这些问题。随着信息技术，无线识别技术、数据库技术、大规模集成电路技术的发展，在教室考勤管理中采用先进管理方式的软硬件技术条件已经成熟 ,结合大学教室考勤管理工作中遇到的具体情况， 在分析了当今射频 计了一套教室智能考勤系统 论文详细介 绍了基于 现过程。系统采用 C/S 结构进行实施，由四部分组成： 息系统管理模块、短信通知预警模块、报表统计打印模块四部分组成。每个刷卡模块包括一台上位机和一台读卡器 ,上位机利用 件通过串口（ 读卡器进行通信。读卡器读卡芯片选用 片，微处理器选用 片初始化由发卡机完成，主要包括设置射频卡密码、控制字及初始化卡号等。信息系统管理模块设置刷卡模块运行参数，设置的参数包括：进门刷卡标志、出门刷卡 标志、记录进出门时间等。短信通知预警模块，主要设置相关学生管理人员信息，提高学工管理的效率，对考勤的结果进行设置，如课程的缺席人数，姓名及时发送给相关学生管理人员，消除管理盲区；同时可以发布一些教务通知。报表统计打印模块用于教务、学工部门的日常学生考勤统计，可按教室，班级，课程，年级输出报表。系统的安全性由局域网硬件防火墙、操作系统、数据库管理系统、数据库对象四个部分组成。后台数据库采用 000,软件部分采用 发，硬件部分采用 论文首先介绍选题的意义，提出研究背景和研究目的；在介绍系统相关硬、软件理论基础；然后完成系统的需求分析；完成系统功能设计和硬件设计，如系统功能框架、流程图等；完成数据库的设计分析；包括数据库创建逻辑结构设计等。重点介绍系统实现的相关技术，最后对论文进行总结，提出对未来工作的展望。 关键词 ： 短信猫 ， 智能教室考勤I is in as a it to in in t to it to on be to s in is am a of of s C is I my of of of , a of a s by it so As MS it s to It of of to At it of is II by of 000, IP .0 of as a on of to up 硕 /博士学位论文 目录 录 第 1 章 绪论 . 1 文的背景与意义 . 1 文的目标与范围 . 1 文的组织结构 . 3 第 2 章 系统实现的相关理论基础 . 4 术简介 . 4 统采用 50 非接触式智能射频卡特点 . 5 频卡读写操作关键技术及概念 . 8 关技术标准 . 10 信 猫 . 11 件介绍 . 12 令介绍 . 14 据库知识 . 14 据库系统应用 . 14 介 . 15 统开发工具 . 16 第 3 章 教室智能考勤系统需求分析 . 18 解需求分析 . 18 统用例分析 . 18 统其他设计原则 . 20 第 4 章 教室智能考勤系统概要设计 . 22 件设计 . 23 频卡读卡器电路的设计 . 23 口通信电路设计 . 26 件设计 . 26 送信息模块的窗体结构 . 27 表查询的窗体结构 . 27 据库设计 . 28 分表的实体关系 . 28 据表的建立 . 28 第五章 智能教室考勤系统实现及关键技术 . 33 卡端程序设计 . 33 片初始化 . 33 操作 . 34 建刷 卡流水记录 . 35 信发送和接收 . 37 信息发送规则 . 37 信接收 . 43 统通信程序设计 . 44 据通信格式 . 44 同济大学 硕 /博士学位论文 目录 V 分通信子程序及注解 . 45 理端程序设计 . 48 卡端管理 . 49 作人员设置 . 50 量解除锁定 . 51 表打印 . 52 第六章 总结与展望 . 56 结 . 56 望 . 56 致谢 . 58 参考文献 . 错误 !未定义书签。 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 62 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 文的背景与意义 今天，科技与社会飞速发展，信息数据统计和维护变得越来越频繁，各行各业中离不开信息处理，这正是计算机被广泛应用于信息管理系统的环境。计算机的最大好处在于利用它能够进行信息管理。使用计算机进行信息控制，不仅提高了工作效率，而且大大的提高了其安全性。目前大部分高校都在推进校园的信息化管理 进程。考勤是加强学生管理 ,维护正常教学秩序 ,保证各项教学任务顺利完成的重要环节 ,也是加强学生纪律、约束学生行为的一种必要手段。教室考勤是高等学校教学的重要环节，多年来，教室考勤一般都采用传统的手工记录统计管理模式，这种管理模式简单直接，但效率低，当数据量较大时，管理起来耗时耗力，工作量大，出错率高。近几年高等教育发展速度迅猛，伴随着学校扩招，选课制、学分制的广泛采用以及学校教学管理网络化改革的不断推进，产生了一些新问题，传统教学管理模式已经不能很好的适应新形势下的教学管理要求。随着教室考勤管理过程中占有和接 触的信息量越来越大，采用更为先进的计算机数据库管理系统管理教室考勤是大势所趋。总的来说，缺乏系统，规范的信息管理手段，这就是目前高校管理信息系统开发的基本环境。基于教室考勤管理目前的状况，笔者认为有必要建立一个基于数据库的教室考勤管理系统，使教室考勤管理更规范、更系统，更科学，更有效率。 采用计算机数据库管理模式可以大大改善传统管理模式效率低，数据维护不便的状况，降低管理者的管理难度和劳动强度，能够及时、准确、有效的查询和统计教学情况。本文研究的基于 短信猫技术的教室智能考勤系统是一种采用射频无线感 应智能 、无线移动通信和计算机数据库系统相结合的新型计算机数据库管理模式，可以实现学生刷卡上下课，系统信息快速记录，向相关管理部门，例如教务处，学生处出具相关的出勤统计结果和报表打印，同时将缺勤人数、名单第一时间通过短信方式发送给学生相关管理人员，消除学生管理工作盲区，实现学生上课信息的查询。 文的目标与范围 经过三十余年的发展，线性随机结构在静力与动力分析方面的分析方法均已本文目标是讨论如何设计与实现一个高质量的教室智能考勤系统，以实现学生上第 1 章 绪论 2 课考勤信息的收集、统计、转发。该系统以教室为平台，利 用先进的网络技术、计算机技术，将与学生有关的上课信息有机地结合起来，通过计算机网络综合管理，为相关管理人员创造一个便捷化、实时化的信息管理平台。 该系统主要包括 信模块，平台管理模块，短信预警模块，报表打印模块。在此项目中，本人参与了该系统的需求分析、概要设计、 信预警模块的设计与实现，并主要负责整个平台管理模块的设计与实现。 卡模块的作用是实现学生考勤信息的采集，并接收与显示响应信息。通信模块在 卡模块和 之间起中介作用，包括对 卡模块传送过 来的命令进行转发，对 控制端传送过来的命令进行解析。平台管理模块主要涉及普通学生 的认证、教室信息和计费的管理。短信预警模块主要用来设置相关短信息接收，发送参数。报表打印模块主要为教务处、学工处提供相关考勤信息的统计、报表输出等。如图 1 1所示， 第 1 章 绪论 3 教 室 考 勤 管 理平 台学 生 R F I D 卡教 务 处 管 理需 求学 工 处 管 理需 求辅 导 员教 师 R F I D 卡射频无线方式射频无线方式I n t e r n e tI n t e r n e t / g s mI n t e r n e t / g s 统整体结构图 整个项目开发过程使用 统分析与设计中，充分运用面向对象的思想，并使用 文的组织结构 本 文共分为六章。主要介绍基于 第一章 绪论。主要介绍了教室智能考勤系统的开发背景及意义，论文的目标与范围、内容组织与安排，对论文的内容进行概括。 第二章 系统实现的相关理论基础介绍分析。首先对 术的先进性，复杂性，实用性进行分析， 相关标准的介绍， 在对无线移动通信技术 操作方法进行了解，介绍了数据库 开发工具 便捷性， 最后提出使用四者技术的 第三章 教室 智能考勤系统需求分析。首先阐述了系统的主要功能，接着对系统主要用例进行分析， 最后介绍系统开发应该遵循的原则 。 第四章 教室智能考勤系统概要设计。在需求分析的基础上， 结合模块开发的思想 ，充分讨论系统的架构设计，系统主要用例的实现。 最后介绍使用概念数据模型设计系统数据库 。 第五章 教室智能考勤系统详细设计与实现。在系统概要设计的基础上， 进行难点问题详细设计开发与 实现。接着对开发过程中遇到关键问题进行讨论，最后介绍系统的功能测试和运行效果。 第六章 总结与展望。首先对本人的主要工作进行总结，接着对论文的内容做一个 概括，并对系统如何进一步地完善、优化进行 了 讨论，最后对 系统的 未来的发展进行展望。第 2 章 系统实现的相关理论基础 4 第 2 章 系统实现的相关理论基础 术简介 无线射频识别技术（ 又称电子标签 , 是一项利用射频信号通过空间耦合 (交变磁场或电磁场 )实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。 最早应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。与目前广泛使用的自动识别技术如条码、磁卡、 等相比 , 射频识别技术具 有很多突出的优点 : 第一 ,安全性高 , 适合于高安全性的终端。数据安全方面除电子标签的密码保护外 , 数据部分可用一些算法实现安全管理 , 读写器与标签之间存在相互认证的过程 , 可实现安全通信和存储 , 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口 , 可保证其自身的安全性 ; 第二 , 可同时识别多个电子标签 ; 第三 , 无机械磨损 , 寿命长 , 并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境 ; 第四 , 非接触操作 , 完成识别工作时无需人工干预 , 应用便利。 签由耦合元件及电路组成 , 其发射电波及内部处理器运行所需能量均 来自阅读器产生的电磁波。无源标签接收到阅读器发出的电磁波信号后 , 将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。每个电子标签具有全球惟一的识别号( , 无法修改、无法仿造 , 保证了安全性。电子标签中保存有约定格式的电子数据。天线在标签和阅读器间传递射频信号 , 即标签的数据信息。 读器是读取 ( 或写入 ) 电子标签信息的设备。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据 , 能自动识别物体。阅读器通过网口与计算机相连 , 将读取的标签信息传送到计算机上 , 进行下一步处理。 利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性 作为其工作基础 ， 自动 实现对被识别物体的识别。射频识别系统一般由 电子标签（应答器， 阅读器（读头 个部分组成 如图 2 应答器：又称为射频标签、电子标签、数据载体。阅读器：又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器。 其中，应答器与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。通常情况下，一台阅读器包括射频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与应答器连接的耦合器件。此外，许多阅读器还附有标准的接 口（ 口），以便将所获得的数据传输给另外的系统（或机等）。 第 2 章 系统实现的相关理论基础 5 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性， 针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程 (主 ；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。 在 子标签被附着在被识别的物体上，当带有电子标签的物品通过阅读器可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息读取出来，从而实现自动识别物品或 自动识别物品标志信息的功能。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓储管理，动物管理和车辆防盗等等。 统采用 50 非接触式智能射频卡特点 C 射频 )卡的核心是 飞利浦 公司的 C 列微模块（微晶片） ,简称 ，见图 2确定了 特性以及卡片读 写器的诸多性能。 的国际标准，容量为 8据保存期为 10 年，可改写 10万次，读无限次。 带天线，内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的 有极高的保密性能。 工作频率 能 (射频 )卡上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统；且具有防重叠功能：能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片。 射频 )卡与读写器通信使用握手式半双工通答器 阅读器 天 线 天 线 数据 时序 能量 机 图 2统的基本模型 图 第 2 章 系统实现的相关理论基础 6 信协议；卡片 上有高速的 合 片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张 片。卡片上内 有 8K（ ， 并划分为 16个扇区，每个扇区划分为 4个数据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理。 图 250 非接触式 能射频卡的功能组成图 在 频接口电路中，主要包括有波形转换模块。方面送调制 /解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流 滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。 电复位），使各电路同步启动工作。 (1) 块：主要用于卡片的选择。 当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“ 操作。以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在 中的卡片的容量“ 字节 传送给读写器，当读写器收到这一字节后，将对卡片进行深一步的操作。例如，可以进行密码验证等等。读写器收到的“ 字节可能为： 88h。 (2) 块：防止（卡片）重叠功能 如果有多张 程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于 不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号 来识别，区分已选的卡片，卡片读写器中的 重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号第 2 章 系统实现的相关理论基础 7 来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。 (3) 请求之应答“ ) 当一张 片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出 命令后，卡片的 动，将卡片 中的卡片类型（ 共 2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行第一步的 写器对卡片的其他操作（ ）将不会进行。卡片的类型（ 共 2个字节，可能为： 0004H。 (4) 块： 认证及存取控制模块 用的认证算法称为三重认证。它基于密钥长度为 48 比特的公有加密数据流。如欲获取标准卡片的数据，有关密钥的知识是必需的。为了能够成功进行卡的认证以及后续对储存于卡 的数据进行操作， 必须能够获得正确的密钥。当一张卡按照 议被选中后，用户可以按照标准协议继续操作。在这种情况下，必须执行卡片认证。在认证指令执行过程中， 内部密钥缓冲器中读取密钥。密钥总是从密钥缓冲器中获取。因此认证指令无需指明密钥存储地址。密钥缓冲区器可以通过以下两种方式加载：用令从 载；直接由外部处理器通过 令从 加载。 三遍认证过程如图 2证过程如下： 图 2遍认证的令牌原理框图 图中的所示的符号 B B B A A (A)B (B)B 给 B (C)收到 B 后， B 是否与在 (A)中所发出的一致。 (D)一个值 2 章 系统实现的相关理论基础 8 (E)收到 后， A 译码并验证 正确性，同时还验证 所含的随机数 B)发出的一致。 如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作（ 操作）。 如果事先不知卡片上的密码，再加上密码的变化 极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。 频卡读写操作关键 技术及概念 每个扇区的块 3(即第四块 ) 包含了该扇区的密码 A(6 个字节 )、存取控制 (4个字节 )、密码 B(6 个字节 )，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。存取控制的结构及其控制方式如表 2 位： 7 6 5 4 3 2 1 0 22211111111333333332222 2取控制四字节的位