无线考勤系统设计与实现
发布时间：2023-02-17T03:37:01.104Z  来源：《中国科技信息》2022年19期作者：苏瑞曦
[导读] 随着科技的飞速进步，社会生产力水平得到了极大提升，与之而来的是愈加庞大的资源需求和企业间难以避免的竞争。
苏瑞曦
大连东软信息学院辽宁大连  116000
摘要：随着科技的飞速进步，社会生产力水平得到了极大提升，与之而来的是愈加庞大的资源需求和企业间难以避免的竞争。而保持企业的运行效率是企业运行管理中能够有力对抗竞争的重要一环。鉴于传统签到方式存在准确性差、透明度低的缺点，容易出现误签、代签的现象，对企业的高效运行无法起到促进作用。本文考虑设计组建考勤机网络帮助解决这一问题。
本文设计基于单片机技术与电脑端上位机等计算机技术，结合指纹识别技术，且数据的上传和下传通过TCP建立稳定连接，开发一个无线考勤系统。
关键词：考勤方式；指纹考勤；无线考勤
概述：本文设计通过无线考勤机对指纹数据进行采集，然后将指纹数据存入考勤机内，同时无线考勤机与电脑连入同一无线网络（以Wi-
Fi网络为主）下，同步将指纹数据无线传输至电脑的服务器中，使用电脑端上位机对指纹数据进行接收，对连接成功的无线考勤机进行组网，控制软件给不同编号的考勤机发送不同的指纹数据，以达到交换识别不同指纹信息的功能。考勤打卡成功后，数据存入考勤机中，通过电脑端上位机或者手机APP对考勤信息进行查看提取，制作员工的考勤表。
1系统设计
首先，利用按键模块将考勤人员的工号写入。再通过指纹检测模块对考勤人员进行指纹采集录入，采集的指纹数据存入存储模块当中。采集完成后，将所有数据通过Wi-Fi模块与电脑端上位机建立TCP连接，进行发送，然后电脑端使用上位机模块将指纹分配给不同的考勤机，完成指纹数据的下传。在考勤打卡时，利用指纹检测模块对考勤人员进行识别，识别成功，将由蜂鸣器模块和屏幕显示模块共同提示，接着将考勤结果存入存储模块中，等待提取。
1.1关键技术介绍
指纹采集技术：本文设计采用最为稳定的电容式指纹识别方式，既能满足快速识别的要求，同样节约成本，后期维护方面也较为轻松。
通信技术：本文设计采用Wi-Fi技术作为通信传输技术，既能满足一定传输速率，同时拥有较远的通信距离，在组网布置方面十分便捷。
1.2MCU主控芯片
本设计选择了STM32F103RBT6作为考勤机主控芯片，R代表芯片为64引脚的芯片，B代表芯片的闪存为128KB，足够运行程序开发。芯片最高工作主频可达72MHz，片上资源丰富。支持CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB等众多连接协议，片上外设有1微秒A/D转换器（最多16通道），DMA，PWM，PDR，POR，PVD，温度传感器，WDT 等等，可以使用的IO口数量有51个，SRAM的容量
是20KB，满足程序开销。芯片的供电范围是2V~3.6V，内部已有集成振荡器。足可满足设计需求。
（1）晶振，为MCU提供时钟频率，因为STM32F103RBT6内部集成的振荡器收到温度的影响很大，产生较大的误差，定时不准确，影响考勤系统的时间效益。故不采用内部集成的振荡器，选择添加外部晶振来提供稳定的时钟频率。
（2）复位电路，主要目的用于复位。
（3）电源，用于供电，采用常见5V的MICRO USB接口，通过LM-1117降压稳压芯片将5V的电压转换
为3.3V，为芯片、指纹检测模块、存储模块等供电。同时5V的电压可以为屏幕显示模块和蜂鸣器模块提供足够的电压。
（4）烧录程序的接口，不需要添加另外的串口转换芯片，将烧录接口引出即可。
1.3Wi-Fi模块
本设计选择了安可信科技公司研发的ESP-12S Wi-Fi模块，抗干扰能力强，最高的串口通信速率可以达到4Mbps。芯片工作主频可选80MHz 和 160MHz，支持RTOS，集成Wi-Fi/MAC/BB/RF/PA/LNA。这一集成模块支持标准的 IEEE802.11b/g/n 协议，完整的TCP/IP协议栈。这就使得该模块能够需要设计的设备添加联网功能，或者也可以建立独立的网络控制器。 ESP8266 是高性能的无线SOC，它的成本较低，却能提供丰富多样的网络连接服务，将便捷的Wi-Fi功能带给用户。在功耗方面，也做到了极低的程度，支持多种休眠模式，深度睡眠
电流低至20uA。有 STA/AP/STA+AP 工作模式，支持安卓、IOS的Smart Config（APP）/AirKiss（）一键配网，支持串口本地升级和远程固件升级（FOTA），有方便的AT指令可以快速完成配置，同样也支持二次开发，集成了Windows开发环境。        Wi-Fi模块同样采用集成设计完毕的模块，通过UART接口与芯片的UART1连接，Wi-Fi模块的串口通信思虑可以达到4MB/S，UART1是STM32F103RBT6芯片通信速率最大的串口，面对上传下传的指纹数据和考勤信息，通过UART1发送
最为合适。PA10为MCU的UART1_RX 接口同Wi-Fi模块的TX连接，PA9为MCU的UART1_TX接口同Wi-Fi模块的RX连接，其余电路根据Wi-Fi模块的官方手册给出的固件烧录电路进行设计，最后是电源供电接口和接地。
1.4指纹模块
本设计采用FPC1020A电容式指纹识别模块，这是一种根据指纹识别所做的二次开发模块，主要面向单片机设计。它的体积很小，只需留出模块的位置，就可以够轻松地嵌入用户设备当中，不用复杂的电路设计，方便组成需求的指纹识别产品。运行功耗也很低，有感应信号提醒，可以控制模块的供电，可靠性高。模块设计的指纹数据模板很小，仅需200字节就可以完成一枚指纹的存储，而且在指纹数据增多的情况下，仍然可以保持快速的识别效率。该模块内置自我学习算法，在指纹识别过程中，会将最新提取的指纹特征值，与已经建立的指纹数据库相融合，使得用户在使用过程中更加方便。该模块有两种通信接口，一种是UART接口，另一种是USB接口。主要作为从设备，由主设备发送相关命令其进行控制。该模块还可以对指纹数据进行安全权限的设置、对指纹特征数据进行读写，同时可以提取指纹图像信息。指纹识别方式可以为1:N识别，或者1:1验证这两种验证方式。
指纹检测模块采用集成设计完毕的模块，通过UART接口与芯片的UART2连接，PA2引脚作为芯片的UART2_TX接口与指纹模块的RX 接口连接，PA3引脚作为芯片的UART2_RX接口与指纹模块的TX接
口连接。P4的管脚1为感应芯片的供电，管脚3为串口通信模块供电，二者共地。该指纹模块在感应芯片检测到手指靠近时，P4的管脚2产生一个高电平，通过PA1引脚来进行检测，可以知道是否需要进行指纹检测。
1.5屏幕显示模块
本设计采用2.4寸TFT彩液晶屏幕模块，集成稳压IC，支持5V或3.3V供电，支持多种单片机IO连接，集成SD卡扩展电路，预留了SPI 接口的FLASH字库电路，方便扩展应用，同时该模块分为支持触摸电路和非触摸电路，本设计中采用了支持触摸电路的屏幕模块，节约了设备体积，同时可以将按键模块保留，作为扩展备用。
屏幕显示模块采用集成设计完毕的模块，第13和第14引脚为接地和供电引脚，其余引脚按照模块的说明同MCU芯片的IO口连接，可以设定不同的IO口。STM32F103RBT6芯片仅有两个硬件SPI通信外设，
这里选择将屏幕输出设定为SPI2接口，可以保证屏幕的刷新率，触摸电路采用软件SPI通信的方式来完成，十分方便，不会产生较大影响，可以选择任意的IO口。PB12为MCU的SPI2片选线，PB13为SPI2的时钟线，PB14为SPI2的数据输出线，PB15为SPI2的数据输入线，PB9为屏幕显示模块的背光LED线路。
1.6存储模块
本设计采用了M25P16的存储芯片，这款芯片带有先进的写保护机制，能够保证用户的数据不被轻易篡改，总体存储容量为2MB字节，分为32个扇区，每一个扇区又分为256页，每一页有256个字节，足够满足一般的日常考勤数据了。通过高速SPI总线进行访问，写入一页的数据所需要的时间约为1.4ms, 每一页的擦除次数大约在一百万次左右，整个芯片内存储的数据可以保存长达20年时间，支持扇区擦除和整块擦除。
存储模块采用的是M25P16芯片，它有高速的SPI的通信速率，将其与STM32F103RBT6芯片的硬件SPI1接口连接，保证数据的读写速率。PA4为MCU的SPI1片选线，PA5为SPI1的时钟线，PA6为SPI1的数据输出线，PA7为SPI1的数据输入线，查对应的芯片手册，U2的管脚5为芯片供电，接入3.3V，管脚7接地。
1.7蜂鸣器模块
蜂鸣器模块采用5V供电的无源蜂鸣器，其价格相对有源蜂鸣器较低，可以节约成本，通过MCU控制三极管的通断来产生一定频率的方波，不同的频率会产生不同的声音，这里三极管采用S8050的NPN型三极管，集电极到基极电压最大为40V，集电极到发射极最大电压为25V，足以满足设计需求。接着在蜂鸣器的两端并联1N4148的开关二极管来消除无源蜂鸣器产生的感应电动势，注意开关二极管的正负，一定是与蜂鸣器的正负相反的，同时也可以添加一个电容，进行滤波，这样MCU输出的方波会更加稳定。
2系统实现
由程序运行开始，首先进入用户界面，可以显示当前的时间信息，接着对按键进行选择，按下指纹录制按键，开始输入员工工号，进
行指纹录制，当听到蜂鸣器发出响声，屏幕同时有相应显示，就会提示录制成功，把录制的指纹数据存入存储芯片当中；当蜂鸣器没有响声，代表指纹录制失败。按下考勤打卡按键，开始打卡，将手指放置在指纹检测模块上，蜂鸣器发出响声提醒打卡成功，反之失败。按下连接网络按键，输入需要加入网络的名称与密码，进行连接，成功后可以进行TCP连接，在这之前，要将电脑端上位机TCP服务器打开，才可以连接成功，之后通过上位机的操作来对指纹数据进行上传下传的操作，同样也可以提取考勤信息。按下更多设置按键，可以对运行程序的时间进行校准，前提是已经加入了无线网络之中，才可以从网络中校准时间；另外可以对触摸屏幕进行校准，防止运行时间过长，产生误差。
3总结
立足于解决企业考勤系统的低效率等问题，本文设计的无线考勤网络系统，基于Wi-Fi网络连接和电容式指纹识别技术，通过存储芯片将采集的指纹数据进行存储，然后使用指纹模块进行识别打卡，将对应的考勤时间、考勤人员等信息存入存储芯片内，即使断电，数据也不会丢失，接着使用电脑上位机对指纹数据进行上传提取，然后下传到不同编号的考勤机，实现打卡，最后将考勤信息拷贝出完，完成整个无线考勤系统的任务。
本文设计最主要的特点就是指纹数据经过Wi-Fi传输技术上传至服务器中，也通过Wi-Fi传输技术将服务器中的指纹数据下传到无线考勤机中，无需通过布线，即可完成指纹数据的交换与增删查，考勤信息也通过Wi-Fi传输技术进行提取，为企业的考勤管理，提供了极大的便利。经过实际的测试，获取如下结论：
第一：无线考勤系统的布置十分方便，在办公楼里，有Wi-Fi覆盖的场所就可以轻松布置，位置也可以随意安排；
第二：实现指纹数据通过Wi-Fi网络的上传和下传，上传至电脑端上位机中，后续可以通过数据库管理等多种方式来优化对考勤信息的提取和分类；
第三：实现对企业员工的指纹信息录入和准确识别，每一台考勤机的可容纳指纹数据数量在200枚左右，根据不同情况，还可以调整存储芯片的FLASH大小，更换容量更大的存储芯片来扩展存储的指纹数据数量；
当然，本设计还存在诸多不足之处。比如在功耗方面，未作过多设计，考勤机长时间工作下，如何进入待机状态，进入低功耗模式，来节省耗电，这些问题还有待后续的完善。
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