資料簡介
隨著RFID技術的成熟,校園一卡通等相關產品在校園內得到了廣泛的應用,加快了數字化校園的建設,實現了校園消費一卡化,極大地提高了卡務管理效率。本文從校園一卡通的工作原理及應用出發,著重介紹微控制器利用中斷方式讀取校園一卡通Wiegand（韋根）數據的方法,然后介紹基于校園一卡通的考勤管理系統的構建及主要模塊的設計與實現。
引言
信息時代的校園離不開信息化的管理,數字化校園一卡通建設是校園信息化建設的重要組成部分,是校園信息化采集的基礎工程。校園一卡通是由學校統一發放的集工作證、學生證、圖書證、餐卡、浴卡、上機卡、考勤卡、電子錢包等功能于一體的非接觸式射頻IC卡。校園一卡通將智能IC卡的強大功能與計算機網絡的數字化理念融入校園,將學校各個系統連為一體,可以隨時掌握每一個持卡人的基本情況,有效地簡化校園日常管理,提高學校的管理水平和服務質量。同時,在減少學校的重復性投入建設、管理及節約費用等方面也起到積極作用。鑒于RFID技術的逐步成熟及校園一卡通的廣泛應用與優勢,為彌補學生考勤管理的缺陷,設計開發了基于校園一卡通的考勤管理系統。
1考勤管理系統概述
在本系統中,校園一卡通作為非接觸式身份識別的標簽,構成考勤管理系統的信息采集源。校園一卡通與讀卡器之間利用射頻方式進行數據傳輸,讀卡器對校園一卡通的操作可以在瞬間完成。學生在上下課時,只需將個人的一卡通在讀卡器前一晃,讀卡器即可自動、快速、準確地獲得校園卡卡號和刷卡時間等信息,然后微控制器對信息簡單打包,上傳至上位機軟件系統。考勤管理系統軟件對接收到的數據包進行解包、校驗等操作后,及時修改相關數據并把部分信息保存至數據庫,方便教師隨時查詢學生的出勤情況、匯總考勤報表等,從而有效地完成考勤管理工作,為學生考勤管理提供完整的解決方案。
2系統硬件設計
2.1校園一卡通工作原理
校園一卡通的電氣部分由ASIC和天線組成。卡片的天線僅僅由幾組線圈組成,很容易被封裝到卡片中。卡片的ASIC一般由一個高速的RF接口、一個控制單元和一個幾KB的EEPROM組成。
當讀卡器向一卡通發出一組固定頻率的電磁波時,卡片內的LC串聯諧振電路的頻率與讀卡器發射的頻率相同。在電磁波的激勵下,LC諧振電路產生共振,產生微弱電流作為電源為其他電路提供工作電壓,將卡內的數據發射給讀卡器或者接收讀卡器的數據。
2.2一卡通讀卡器模塊
本模塊采用AK-RFMOD05CD芯片對校園一卡通進行讀寫操作,該芯片可以讀寫符合ISO14443TYPEA/B-2,-3規范的射頻卡芯片（AT88RF020、
AT88SC6416CRF、ST_SRI176、ST_SRIX4K、MIFARES50、MIFARES70以及其他兼容ISO14443TYPEA/B規范的CPU卡、雙界面卡）。芯片與MCU之間可以通過多種接口（UART、SPI、TWI等）進行數據通信,便于用戶使用。從應用的角度概括起來,其性能特征如下:
*兼容ISO14443TYPEA和TYPEB標準,可以穩定讀寫各種符合ISO14443A/B兩種通信協議標準的卡片;
支持UART、SPI、TWI協議等多種外部通信接口,方便用戶開發;
I/O引腳CMOS和TTL輸入/輸出電平兼容;
直接驅動50天線;
卡片通信FIFO為48字節;
工作頻率13.56MHz。
同時,該芯片可對外提供13個I/O引腳、256字節的EEPROM、內置上電復位電路、看門狗電路等硬件資源。其本身還具有自動檢測與測控功能,便于應用系統的開發。
2.3讀卡器模塊硬件接口
讀卡器模塊采用Wiegand協議與微控制器通信。本系統將Wiegand數據輸出線WD0和WD1分別與Cortex-M3系列微控制器LM3S1138的2個I/O引腳相連,讀卡器模塊與LM3S1138連接圖。
讀卡器數據線WD0連接PB0引腳,當該引腳被讀卡器置為低電平時,說明當前傳輸一位數據0;讀卡器數據WD1連接PB1引腳,當該引腳被讀卡器置為低電平時,說明當前傳輸一位數據1。讀卡器的Wiegand協議選擇線連接PB2引腳,當該引腳懸空時（高電平或高阻）時,模塊選擇26位Wiegand協議,否則選擇34位Wiegand協議。此外,讀卡器模塊與微控制器LM3S1138共地。
2.4Wiegand協議與接口定義
Wiegand協議是由摩托羅拉公司制定的,具有適用于涉及門禁控制系統的讀卡器和卡片的許多特性,其協議沒有定義通信的波特率和數據長度。Wiegand協議支持多種數據格式,現在應用zui多的是26位、34位、36位、44位等,其中標準26位格式是一個開放式的格式,并且對所有HID的用戶開放,其數據幀格式。
任何人都可以購買某一特定格式的HID卡,并且這些特定格式的種類是公開可選的,現在幾乎所有的門禁控制系統都接受26位格式的標準,促使其逐步成為廣泛使用的工業標準,其中26位Wiegand數據幀格式定義如下:
第1位為2~13位的偶校驗位;
第2~9位對應電子卡HID碼的低8位;
第10~25位對應電子卡的PID號碼;
第26位為14~25位的奇校驗位。
以上數據從左至右順序發送,高位在前。在上述標準26位Wiegand協議數據中,只包含了電子卡HID碼的低8位二進制編號（實際電子卡的HID碼為16位）,即對應于Wiegand數據幀的第2~9位;同時包含電子卡的16位PID二進制編號,即Wiegand數據幀的第10~25位。當安裝讀卡器模塊時,在讀卡器和門禁控制面板的連接點（終端）上都能夠看到7根連接線,Wiegand接口引腳定義如表1所列。目前幾乎所有的標準型讀卡器都可以提供可供選擇的Wiegand接口,WD0和WD1線負責傳送Wiegand數據,也被稱為Wiegand信號線。Wiegand數據由這2根線分別輸出0或1。輸出0時,WD0線上出現一個負脈沖;輸出1時,WD1線上出現一個負脈沖。
2.526位Wiegand數據接收
Wiegand數據的接收對時間的實時性要求比較高,如果用查詢的方法接收極易出現丟幀的現象。假設查詢到WD0為0時主程序正在指向其他任務,等主程序執行完該任務時WD0已經變為1了,那么這樣就丟失了一個Wiegand數據0。這樣讀出的Wiegand數據將不能通過奇偶校驗,導致MCU接收不到讀卡器模塊發送的正確卡號。目前,以外部中斷方式接收Wiegand數據是比較好的選擇,其核心代碼如下:
程序開始后初始化相關引腳的輸入/輸出方式,并且設置PB0和PB1的中斷為下降沿觸發,在接收數據時,主程序中斷后進入相應的中斷服務程序。在中斷服務程序中判斷觸發中斷的引腳編號,得知當前傳輸的數據是0或者1,并將數據存入一個全局靜態數組。
使用數字式示波器對讀卡器的WD0和WD1數據線的波形進行截取和分析。當協議選擇線為高電平或懸空時,即選擇26位Wiegand協議。此時將一張校園卡放置在讀卡器上,截取的26位Wiegand數據波形如圖4所示。其中上面波形為WD0,下面波形為WD1。從而可知該卡的26位Wiegand碼為00000110100010010100110111,數據波形與微控制器所接收的數據保持一致。
3上位機軟件設計
該系統的上位機軟件是基于VisualStudio2008系統平臺進行開發,并采用Access數據庫技術。開發過程中,主微控制器把采集到的校園一卡通編號等信息都通過虛擬串口傳輸到PC上位機,上位機軟件對接收到的數據再進一步進行處理。為了較好地完成通信任務,該軟件采用多線程串口通信CserialPort類進行開發,CserialPort類是由RemonSpekeijse提供的免費串口類,其內部函數*透明,并允許用戶對相關類進行改造、補充與完善。刷卡過程中,微控制器通過中斷方式獲得校園一卡通的ID,然后將數據進行打包、封裝并通過UART0傳輸至上位機。上位機軟件在獲得傳輸到的數據包后,立即對數據包進行解包解析,并利用解析數據查找已備份的數據庫系統,獲得校園一卡通主人的考勤信息、基本信息等并予以顯示。考勤管理系統軟件界面如圖5所示。同時軟件需要對部分數據庫數據進行修改和備份,保證用戶對數據的準確訪問。
此外,根據用戶的需要靈活地設計系統的各子功能模塊,給出相應的功能模塊集;將原有子系統的某些配置功能置于系統部署模塊中,可以有效地防止系統由于一卡通用戶配置不當而產生的不良后果,從而減少系統維護的開銷。
結語
校園一卡通的考勤管理系統通過*的RFID獲取準確的數據,采用Accesss數據庫存儲備份數據。這些數據信息能夠真實地反映學生的出勤情況,提供了基于各種條件的統計、查詢與分析功能,為學校教學管理的全面開展和學生考勤考核提供了重要的參考依據,具有一定的實際應用價值。
作者簡介：李奇（碩士研究生）,主要研究方向為嵌入式系統與物聯網應用;馬忠梅（副教授）,主要研究方向為嵌入式系統與物聯網應用。
