【研究意义】考勤是各种机构人员管理的重要内容，一方面可确保人员的安全，一方面可用于考察纪律。传统的考勤管理还停留在纸质签到，效率低、实时性差，管理不方便，有必要研发新的考勤管理模式。【前人研究进展】引入计算机技术的考勤管理方式主要有人脸识别^[1-2]，指纹识别^[3-4]，射频识别^[5-6]等。人脸识别和指纹识别可靠性强，不易仿冒，但硬件成本高。射频识别可靠性不如前两种，但成本低廉。目前的考勤系统可分为两大类：一类是单机型，可以独立完成考勤过程，应用广泛，但还有一些缺点——一方面有线连接的方式让系统在楼宇环境中部署困难，移动性差；另一方面，当员工的分布较为分散时，单机系统对大量的人员考勤工作来说使用不便利。而且单机型的考勤系统数据难以共享，管理层次简单。另一类是联机型，使用时需要后台计算机的配合，数据可通过网络及时上传，但当网络出现故障或后台计算机运行故障时，容易导致考勤工作瘫痪等问题^[7-8]。【本研究切入点】考虑引进新的计算机技术，弥补上述考勤管理系统的缺陷。【拟解决的关键问题>】结合射频识别技术RFID、ZigBee技术与嵌入式系统，设计一套基于RFID和ZigBee网络的通用分级管理考勤系统。非接触式RFID考勤读卡子系统不仅独立完成子区间内的考勤数据采集，还能通过ZigBee无线传感网络实现多RFID读卡子系统的自组网功能。在此基础上，基于Linux/QT完成ARM主控平台的开发，实现了子节点与主控平台的分级管理，并预留了Web后台数据管理系统。

考勤管理系统总体设计方案如图 1，主要分为考勤终端，网络传输，ARM主控平台3个部分。考勤终端采用RFID^[9]，完成单点的考勤工作，并将读取到的标签信息通过网络上传。考虑到系统部署的繁琐问题及网络组网成本^[10]，网络传输部分采用ZigBee无线传感网络。ZigBee网关(协调器)接收到不同考勤终端上传的数据后，通过串口将其发送给ARM主控平台。主控平台集中处理数据后，存储到本地的数据库，实现考勤的分级管理。管理员可通过ARM平台上的QT界面管理考勤信息，或通过Web的方式管理。

图 1 (Fig. 1)

图 1 系统总体框架 Fig.1 The overview of system architecture

考勤管理系统的硬件部分由考勤终端、ZigBee网关、ARM平台组成(图 2)。考勤终端主要由RFID读卡器、ZigBee模块、显示模块、电源模块组成。

图 2 (Fig. 2)

图 2 考勤系统硬件结构 Fig.2 The hardware architecture of attendance system

RFID读卡器由MCU、射频读卡芯片、天线组成。射频芯片选择MFRC500型芯片作为射频读卡芯片。MFRC500完全集成13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，可方便的用于各种基于ISO/IEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信^[11]。MifareIC卡与MFRC500通信的基本原理：RC500向Mifare卡发送固定频率的电磁波(13.56 MHz)，此频率与Mifare卡内部的LC谐振电路的谐振频率相同，Mifare卡被激活后与RC500之间即能够进行信息传递。其中MFRC500使用并行接口与MCU相连。出于成本考虑MCU选择价格低廉、运行稳定、能满足读卡器设计需求的STC89C52。MCU通过控制MFRC500以实现对电子标签(Mifare卡)的读写，将相应的指令写入MFRC500相应的寄存器中来实现控制。由于系统采用被动式标签，标签没有内部电源，所以读写器的MCU不能直接对标签进行读写操作，需要通过射频读卡芯片发射射频载波信号，给标签提供能量，激活标签，通过后续的认证后，MCU方能访问标签。

读卡器的天线直接影响着系统性能的优劣：天线的辐射特性、尺寸、匹配电路的品质因子Q以及周围环境直接影响着读卡器的工作范围^[12]。天线匹配电路谐振频率要满足公式$ f = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }} $，读写器频率f为13.56 MHz，根据公式约束选定L、C的值。考虑到天线尺寸过大时，其电感会过高，电容要求很小，会造成实际选用困难, 故天线尺寸不能过大，匝数不易过多。

ZigBee无线通信模块由ZigBee节点模块与ZigBee协调器模块组成。通信模块的作用是实现数据的无线收发。ZigBee节点和协调器都采用TI公司的CC2530(CC2530集成了2.4 GHz的射频收发单元和高性能低功耗的8 051位处理器)。ZigBee节点负责上传RFID读写器中的电子标签信息以及接受从协调器发来的命令。协调器负责网络的组建和数据传输，为子节点分配地址，建立绑定表。协调器将子节点发来的信息实时传输到ARM平台，当收到上位机下发的命令时进行转发。

考勤终端的主程序设计平台采用KeiluVersion 5，C语言编程，主程序流程如图 3所示。当卡片进入到读取范围时，读取Mifare卡的信息。读卡操作步骤包含请求、反碰撞、选择、认证、读块。当确认卡片为有效Mifare射频卡时，会得到卡片的序列号，通过认证后，可以从卡中读出其EEPROM的值，每次仅读出一个块的数据，即16个字节，每次读到电子标签后，即把数据打包，由ZigBee模块上传读到的电子标签信息。

图 3 (Fig. 3)

图 3 考勤终端程序流程 Fig.3 The program flow chart of terminal node

ZigBee模块程序在TI公司的ZSTACK协议栈上开发。ZSTACK采用OSAL操作系统，其应用程序的运行机制通过事件来驱动，运行机制图 4所示。事件是驱动任务去执行某些操作的条件，当系统产生了一个事件，将这个传递给相应的任务后，任务才能执行一个相应的操作。

图 4 (Fig. 4)

图 4 OSAL运行机制 Fig.4 The mechanism of OSAL

ZigBee节点程序初始化后，开始搜寻网络。搜到网络后，节点会加入网络，并在成功入网分配ID后，开始数据传输业务。ZigBee节点会周期性的检测是否有数据发送过来，若有就将数据打包帧格式，发到协调器上，数据传输协议数据帧由16个字节组成，依次包含协议号(4个)、设备号(6个)、卡号(2个)、考勤时间(3个)、校验码(1个)。

ZigBee协调器程序初始化后，开始组建网络，建立路由表。当协调器收到信息时，会依据不同的类型进行相应的操作：若该消息是子节点的入网请求，协调器会分配ID给子节点。若是子节点发来的数据，协调器通过串口发给上位机。若是协调器接收到从上位机下发的命令，即进行下一级转发。

主控平台的软件基于Linux/QT开发。在ARM平台上移植Linux操作系统，该系统具有开源足，系统运行资源少，效率高等优点。QT能实现跨平台编程，移植性好，给开发者提供了强大的图形界面开发所需的功能。QT应用程序接收ZigBee网关发送的数据，处理后存到本地数据库中，管理员可在QT界面上查看，实现考勤的分级管理。采用Sqlite 3建立考勤数据库，实现考勤纪律表，用户表，设置表。考勤纪律表包含用户ID、考勤时间、上班时间、考勤情况，用户表包含用户ID、姓名、类型、部门，设置表包含ID和规定的上班时间。

ARM平台同时移植了一个Boa服务器，Boa是Linux/Unix下的一种单任务的Http服务器，其源代码开放，性能优秀。ARM平台上的Web应用服务程序基于C/S架构，主要向局域网中的计算机提供服务，管理员可以通过Web的方式查看考勤数据。

考勤系统测试分为3部分。第1部分测试电子标签的读写距离，实测100次，最大读写距离达到6 cm。第2部分测试ZigBee模块传输距离，如表 1所示。可以看出有障碍测试(室内楼宇环境)中，75 m范围内信号传输正常，当传输距离增加到100 m时，信号不稳定。无障碍测试(室外空旷环境)中，当传输距离超过275 m，信号不稳定，距离更大时接收不到信号。第3部分测试系统故障率。对系统进行密集刷卡测试(连续每隔5 s刷1次卡，持续100次)，数据上传、QT界面运行、Web的访问正常。系统运行30 d，运作良好，数据上传率为94%。

表 1(Table 1)

表 1 ZigBee模块传输距离测试 Table 1 Test on transmission distance of ZigBee module 传输距离 Transmission distance(m) 障碍情况下 With obstacle inside 无障碍情况下 No obstacle 50 正常 Signal stability 正常 Signal stability 75 正常 Signal stability 正常 Signal stability 100 信号不稳定 Signal instability 正常 Signal stability 150 收不到信号 No signal 正常 Signal stability 250 收不到信号 No signal 正常 Signal stability 275 收不到信号 No signal 信号不稳定 Signal instability 300 收不到信号 No signal 收不到信号 No signal

表 1 ZigBee模块传输距离测试 Table 1 Test on transmission distance of ZigBee module

通过RFID技术和ZigBee技术，设计并实现了一种终端结合网络且成本低廉的通用考勤管理系统。终端子系统能够实现单机的考勤管理。无线传感网络技术，使系统部署简单，并实现了数据共享。基于Linux/QT完成ARM主控平台开发，实现了考勤信息的分级管理。测试表明，系统能够对电子标签远程识别，能在楼宇环境中工作，且整体运行良好。在后续工作中，有必要进一步优化系统设计，并基于考勤系统采集的数据增加数据挖掘功能。