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1、基于指纹识别的SIMS的设计与实现第1章 绪 论1.1 论文研究背景近几年，伴随高校扩招的口号，高校学生的数量急剧增多，教师队伍也逐渐庞大。一方面更多的学生能融入到高等教育中来，学习到更深入的科学理论知识；另一方面高校对学生的管理将变得愈为严峻，突出表现在学生考勤管理方面。可以看到，在高校课程中，经常会有出现学生迟到、早退、缺课的情况，教师为了查课，需要抽出课堂时间进行学生点名，统计学生的到课率，严重浪费了宝贵的课堂时间。针对这种情况，国内许多高校引进考勤系统，如在宿舍楼内安装一卡通识别器，统计晚上回宿舍的人数，但是时常会有代替刷卡的现象，因此并不真实；还有的高校引进了光学指纹识别器，对各个楼
2、进行检查，精确统计出当时在场的学生数。同时，在高校的考场上，学生作弊的现象屡见不鲜，抄袭、替考的花样也越来越多。对于大部分高校，只能依靠监考教师进行检查，这样并不能完全禁止替考和抄袭的行为，很多老师因为没有现场证据而变得有口难辩。很多公司因此开发了各类视频监视系统，监视各个教室的情况，把当时的情景记录到硬盘中。但系统功能比较单一，并不能很完善地兼容现有的教学管理系统。1.2 研究目的及意义为了加强对高校的管理，解决高校考勤等学生管理方面的问题，本文设计指纹识别技术实现学生的考勤管理、考场管理、成绩管理等。在众多的用于身份验证的生物识别技术中，指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的解
3、决方案1。指纹识别具有悠久的历史，这种技术通过分析指纹的全局特征和局部特征来确认一个人的身份。每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征2。由此看来，通过指纹识别技术来鉴定个人身份非常可靠。指纹是人体独一无二的特征，如果我们想要增加鉴定的可靠性，我们只需登记更多的指纹，鉴别更多的手指，每个人最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的；因此，利用人体指纹的唯一性保证考勤的真实准确，从根本上杜绝如代考勤的发生，从而体现考勤制度的公正性；节约成本，只有一次投入，无后期费用，节约了其它考勤方式所带来的配发、补发考勤卡、色带的成
4、本。结合指纹识别技术，可以设计出一个完整的系统，包含于高校管理的方方面面。如学生个人信息查询、课程设置、考勤管理、课程成绩管理、用户权限管理等。1.3 本文主要研究内容本文根椐目前高校中所存在的考勤问题，分析并设计智能指纹考勤管理系统，方便高校对学生的管理。根椐系统的设计要求，系统设计需要满足易用性、高可靠性、安全性、开放性、可扩充性、以及标准化和规范化。基于指纹识别的学生信息管理系统(SIMS)是一个集成了多种高新技术的复杂系统。技术的选择也应以实用、可靠、稳定为主，但无论何种技术的使用，必须确保方便性和易用性。系统面对的是成千上万的学生和教师，任何忽视易用原则的设计或疏忽，都将给如此庞大的
5、用户群带来不便。因此，易用性原则是系统的设计与实现必须高度重视的首要原则。学生指纹考勤系统的标准化和规范化，主要是指学生信息格式标准和应用规范。为了学生间各类信息的共享，应按照设计规范进行系统的设计与实现，以求达到符合教育行业的通用性及规范化等目的。采用当代最新技术，建立一种新概念的、开放的学生管理和应用环境，它以TCP/IP、广域网互连、路由、防火墙和网络管理技术为基础，建立一个安全可靠的开放式网络应用平台3。随着高校学生教学管理领域中业务功能的不断拓广，应用规模的不断扩大，要求系统功能可以灵活扩充。对应的服务器系统、网络系统、应用软件也能平滑升级和扩充，并且这种扩充对现有功能只需做极小的改
6、动或不进行改动。安全性和可靠性应体现在服务器系统、网络通信设备、用户终端设备、人员数据、数据库系统、应用系统的各个方面，并且能按要求进行集中控制和管理。因而整个系统应有完整的故障对策，以保证服务器系统、网络系统的工作的连续性，以及数据的一致性、完整性和安全性。本文围绕系统各方面要求，设计了任务管理中心和若干个端系统，任务管理中心由PC机组成，端节点使用ARM9处理器、指纹识别模块组成。任务管理中心要完成指纹的采集与验证、课程安排、课程考勤、课程成绩管理等功能；端系统要实现课程考勤、视频监控、网络视频监控等功能，具体实现下面几项工作：1.对高校考勤管理、考场管理、成绩管理方面进行分析，了解目前的
7、高校管理过程；2.分析系统功能，研制相应硬件平台，并对硬件进行调试、优化；3.根椐需求分析设计任务管理中心软件，实现学生信息采集与验证、课程安排、课程与考场指纹管理、成绩管理、显示端系统视频监视等功能；4.实现端系统软件设计，实现对课程及考试的指纹管理、考场视频监视、远程网络数据传输；5.任务管理中心与各个端系统的综合测试，在测试中根椐需要进行系统优化及改进；6.完成相应文档及使用手册说明。1.4 本文组织结构本文共分为六章，各章节主要内容安排如下：第1章 绪论。提出了本文的研究背景，主要研究内容，以及该研究的目的和意义。第2章 系统需求分析及总体构架设计。主要介绍系统的需求、系统的总体构架及
8、相关设备。第3章 任务管理中心软硬件分析与设计。主要介绍任务管理中心的硬件和软件的开发环境、设计过程等。第4章 端系统软硬件分析与设计。主要介绍了端系统的硬件构成和软件设计方案。第5章 系统运行测试分析。主要描述系统的软硬件测试过程。第6章 总结与展望。对系统的总体说明及后续的相关扩展。第2章 系统需求分析及总体构架设计本章主要介绍系统的需求分析及系统的总体架构设计，通过本章的论述，可以了解系统的功能需求、性能需求，以及系统设计的方案。基于指纹识别的学生信息管理系统由两部分组成：任务管理中心和S3C2440端节点系统(后文简称端系统)。任务管理中心要具有功能多、实时性强、稳定性高等优点，同时需
9、要处理的数据量也比较复杂，因此需要采用PC机进行处理；端系统要求具有携带方便、低功耗、操作简单等特点，因此使用S3C2440处理器，运行WINCE6.0操作系统。2.1 系统需求分析软件工程理论认为，在软件生命周期中，需求分析是最重要的一个阶段。软件需求分析的质量对软件开发的影响是深远的、全局性的，高质量需求对软件开发往往起到事半功倍的效果。目前，各个高校学生都有标记个人身份的一卡通，在一些重要的场合，可以通过核对一卡通来证实学生的身份，如学校的图书馆，通常都是仅允许本校学生进行，因此在进口处都会设置一卡通读卡器来确定学生的身份；不仅如此，在各个课程的考试期间，为了防止学生的替考，都会由老师核
10、实各个学生的身份。因此，设计出一套自动化、规格化的系统可以大大减小教师的工作量。使用一卡通核对学生身份时，教师核对错误及学生顶替现象时常发生，为了弥补失误造成的漏洞，很多高校开始引进了指纹设备，采用指纹验证学生的身份，这样就可以准确无误地验证学生的身份。本系统使用一卡通和指纹识别相结合的方式，优先使用指纹识别方式验证学生的身份，如果学生多次登录失败，即采用一卡通方式验证，这样就可以自动地核对每个学生的身份，而且准确无误。同时需要把学生信息与学生的课程选修结合在一起，教师上课考勤时只需要查看学生的入场记录就可以准备了解每个学生的到课时间，而且需要计算出课程结束时每个学生考勤的总成绩。另外，需要把
11、学生的考勤成绩和其它成绩结合，教师只需要按格式导入各部分的成绩，就可以得到每个学生的总成绩。为了适用不同的场合，需要设计两套设备，即任务管理中心和端系统。任务管理中心可以适用于较为固定的场合，如实验室、图书馆、固定教室的班级，同时也可以完成各种复杂的数据处理，以及多种权限用户登录；端系统适用于临时使用的场合，如各科考试的考场、临时事务处理的教室等，这些地方也不需要复杂的功能，只需要验证入场人员的身份。因此需要端系统需要具有良好的便携性特点。本节对任务管理中心和端系统进行详细的需求分析，明确其软硬件需要完成的具体任务。2.1.1 任务管理中心需求分析任务管理中心需要完成各类的学生信息管理工作，包
12、括多类权限用户登录、学生信息管理、用户信息管理、教师信息管理、学生课程选修管理、课程成绩管理、各类模板下载等功能。同时对于固定的场合，系统需要长时间运行，有可能几天到几周的时间都无人看守，这时需要系统能够自检，出现错误了可以及时从错误中恢复，同时对于长时间不用的外设，要关闭其电源，进入待机状态，用户到来只需要启动对应的开关，即可以唤醒系统继续工作。因此系统需要具有稳定性、实时性、吞吐量大等特点。1.多类权限用户登录为了适用于多类用户操作，系统需要支持三类用户登录：系统管理员、教师、学生。其中学生可以对本人的部分信息进行编辑、查看自已的各门课程成绩；教师用户可以编辑自已的基本信息、设定课程的考勤
13、、统计课程的成绩等；系统管理员可以对整个系统进行操作。系统登录过程中自动判别登录用户的权限，管理员用户也可以通过指纹方式登录系统，不需要输入用户名用密码。系统登录成功后显示用户的主面板，包括用户的个人信息、最近使用记录、最近通知等。对于忘记密码用户如果带有终端，可以通过指纹登录到系统再更改本人信息，否则提示联系管理员用户进行更新用户资料。2.学生信息管理学生的个人信息包括学号、一卡通卡号、指纹、照片、班级、性名、性别、出生年月、住址、籍贯、联系方式、政治面貌、Email地址、身份证号、课程选修方向。学生信息管理中需要完成对学生的信息录入、编辑、验证功能。同时，学生信息管理中可以查看学生在学习阶
14、段所选修的课程的总成绩及目前的总学分信息。系统管理员可以使用学生一卡通查找对应的学生，查看其信息；学生需要登录系统来查看自已的信息。3.用户信息管理主要完成登录用户的登录用户名和密码的编辑，管理员用户可以编辑系统中所有用户的信息，其它用户只能修改自已的信息。4.教师信息管理教师的个人信息包括代号、姓名、性别、身份证号、出生日期、政治面貌、籍贯、职称、Email地址、研究类别、联系方式、个人介绍。其中个人介绍需要存储500字左右的介绍文字。系统管理员可以对所有的教师信息进行编辑；教师只能编辑本人的信息和查看其它教师的信息；学生可以浏览教师指定信息，如个人介绍等，这样可以方便学生了解教师的目前科研
15、情况。5.学生课程选修管理学生课程选修管理中包括课程的添加、更新、删除，设定此课程的具体开课时间、任课教师、选修此课程的学生、各个学生所在教室信息，以及设置课程的开始与结束，课程开始时可以进行考勤管理，课程结束后可以进行成绩的统计。6.课程成绩管理课程的成绩由四部分组成：考勤成绩、平时各次实验成绩、实验报告成绩、其它成绩。课程成绩管理中需要完成各部分成绩的录入、编辑、统计、打印功能。考勤成绩通过前面设置的课程及教室自动读取本教室的学生指纹数据，根椐学生进入的时间自动统计出本次的考勤成绩，并记录此学生的具体进入时间。同时在考勤中要实现全自动进行，如果指纹数据读取失败，可以提示使用一卡通进行，但系
16、统需要优先使用指纹进入。如果有没有通过考勤直接进入的学生，系统要提示该学生录入指纹或刷一卡通。其它各部分成绩的录入要求操作简单，并支持数据的导入，打印各部分的成绩列表。课程成绩统计部分需要完成对组成成绩的四个部分的成绩进行调整，并且自动计算出每个学生的总成绩，按指定的格式打印学生的成绩单等操作。7.各类模板下载系统提供标准的模板给用户下载，用户按指定的格式填写后即可以导入到系统中，要求各类模板的更新操作简单，教师和学生用户仅能读取模板文件，管理员可以更新模板文件。2.1.2 端系统需求分析端系统需要完成的任务主要包括学生的考勤管理、摄像头监控、数据的导入导出。对于固定的场合而且要求实现的功能比
17、较单一，如仅需要考勤、门禁等，可以使用端系统完成。这时系统需要长时间运行，也要求端系统具有错误自检、错误恢复等功能。因此端系统也必须具有稳定性、实时性、吞吐量大等优点。1. 学生考勤管理此部分功能与任务管理中心类似，仅需要对导入的课程进行考勤管理，记录考勤的具体时间，同时USB摄像头监控周围场景，写入指定文件并上传，对于没有通过考勤进入的学生给出语音提示。考勤中需要支持一卡通方式和指纹方式，如果多次采用指纹都未能通过，则提示是否需要使用一卡通方式。2. 摄像头监控要求监控入场的场景，并存入到指定的文件中，当文件过大时及时上传到服务器中或选择删除时间较早的监控视频，其中视频监控操作支持远程控制操
18、作。3. 数据的导入导出如果在网络畅通的情况下，可以通过网络进行数据的传送，及时把数据备份到服务器。如果没有网络，端系统需要提供接口导入数据。同时，也需要把操作后的数据通过接口导出。2.1.3 系统性能需求分析当我们提到软件性能测试的时候，有一点很明确的：测试关注的重点是“性能”。一般来说，性能是一种指标，表明软件系统或构件对于其及时性要求的符合程度；其次，性能是软件产品的一种特性，可以用时间来进行度量。通常，对软件性能的关注是多个层面的：用户关注的软件性能、管理员关注的软件性能、开发人员所关注的软件性能。下面分别从这三个层面介绍系统需要达到的目标。1. 用户方面的软件性能需求用户所关心的软件
19、性能是指软件对用户操作的响应时间。系统要求具有较高的实时性，用户操作完成即把结果显示出来，同时对于大量数据操作的，需要把数据分批返回并显示出来，这样用户感觉软件的响应时间短。同时软件设计需要和谐的人机交互界面，操作方面，可以根椐个性化来设置自已的频繁使用模块。不仅如此，软件在非正常输入时要给出提示，提示用户修改输入内容。2. 管理员方面的软件性能需求从管理员的角度来看，软件系统的性能首先表现在系统的响应时间上，除此之外，管理员还要关心系统的状态相关信息，例如对于并发用户访问量大时系统的响应时间，服务器的硬件性能及系统的可扩展性等。系统设计需要实现资料利用低、稳定性强、并发用户数多、可扩展性好等
20、性能。3. 开发人员方面的软件性能需求开发人员除了关心系统的响应时间及系统的可扩展性外，需要设计良好的结构和代码实现，或是通过调整系统设置等方法提高软件的性能表现。需要考虑到在最差的情况下系统的处理方案，保证系统的完善。2.2 系统总体架构分析系统硬件上由两部分组成：任务管理中心和端系统。根椐上面的需求分析可知，系统的各类信息要求共享，即用户可以在不同的端系统登录，但更新的数据对所有的用户都要可见。系统需要存储大量的数据，通常都是存储于数据库中，而且考虑到数据的共享及并发访问设置，可以把数据库安装于指定的服务器中，这样远程的客户端只需要连接到服务器，即可以访问到数据库。而且服务器通常性能都较高
21、，对于并发用户的访问数也可以大大提升，减少系统的响应时间。对于各类模板的下载，可以使用远程FTP服务器，对于需要的文件，直接通过FTP下载到客户端，因此在服务器中同时开通远程FTP服务器。通常对于一个学校，所有的主机都是属于同一个局域网，这样访问服务器的速度可以保证，网络数据包丢失的情况并不常出现。设计系统的总体构成框架如图2.1所示，其中服务器位于局域网内的某个指定位置。图2.1 系统总体构成框架图上图中，终端用户可以使用网线连接到网络，也可以通过无线网络访问服务器，在网络通畅的地方直接使用网线连接，如果需要移动的场合，可以使用无线网络，这样就可以很方便连接到服务器。2.2.1 任务管理中心
22、总体架构分析任务管理中心需要完成各类的学生信息管理工作，包括多类权限用户登录、学生信息管理、用户信息管理、教师信息管理、学生课程选修管理、课程成绩管理、各类模板下载等功能。对于信息采集，需要使用摄像头、指纹模块、一卡通读卡器设备采集学生的个人信息，同时考虑到外设的低功耗、使用寿命问题，需要设计相应的硬件来连接和管理外部设备。为了简化系统间连接的复杂性以及考虑到目前大部分PC机USB接口并不充足的问题，系统设计仅需要一根USB接口线即可以连接到所有的设备。在使用时只需要把连接线接入，即可以实现对外设的控制，非常方便。设计任务管理中心的总体构架图如图2.2所示。 图2.2 任务管理中心硬件构架图
23、图2.3 任务管理中心软件构成图上图中USB摄像头用于采集学生的照片信息、监控周围场景；一卡通读卡器用于采集学生的一卡通信息，同时也可以在查询模块中根椐学生的一卡通查询到该学生的个人信息；指纹识别器用于采集学生的指纹、考勤管理等。任务管理中心软件方面主要实现系统的各种功能，设计友好的交互界面，方便各类用户使用，根椐任务管理中心的需求，把软件分为下面各个模块：用户登录模块、学生信息管理模块、教师信息管理模块、学生课程选修模块、课程成绩管理模块、FTP远程文件访问模块。设计任务管理中心的软件构架如图2.3所示。具体实现时，根椐上一节中的需求分析实现各个模块的功能，详细设计参照下一章。2.2.2 端
24、系统总体架构分析端系统需要完成的任务主要包括学生的考勤管理、摄像头监控、数据的导入导出。由于端系统就是一个嵌入式处理器，因此需要设计相应的硬件，对比目前众多的嵌入式处理器，本系统中使用ARM体系结构的处理器S3C2440进行设计，它具有处理速度快、接口丰富、操作系统移植方便、编程便捷等优点4，很适合作为端系统的处理器。端系统的硬件总体设计框架如图2.4所示，其中LCD显示屏采用通用的3.5寸小显示屏，主要用来显示一部分操作提示信息，U Disk用于数据的导入导出接口。根椐需求分析，端系统的软件构成如图2.5所示，运行平台采用WINCE 6.0。图2.4 端系统硬件构架图 图2.5 端系统软件构
25、成图2.3 相关设备选型在任务管理中心和端系统中，都会使用到指纹识别器、一卡通读卡器、USB摄像头三种器件，目前市场上这类器件非常多，如何选择适用于本系统的设备直接影响到系统设计的复杂程度，下面简要介绍系统中选择的设备相关参数。2.3.1 FPC-101指纹识别模块本系统采用上海众享电子科技有限公司开发的FPC-101光学指纹识别模块。外形如图2.2所示，该模块采用光学指纹传感器，由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成5，与同类指纹模块相比，FPC-101模块具有以下优点：(1)指纹适应性强指纹图像读取过程中，采用自适应参数调节机制，使干湿手指都有较好的成像质量，适用人群更广泛。(2)性价
26、比高FPC-101模块算法根椐光学头成像原理设计，算法对变形、质量差指纹均有较好的校正和容错性能。(3)简单易用方便扩充FPC-101模块采用串口命令进行操作，操作命令丰富，可以很方便开发出强大的指纹识别应用系统。(4)低功耗可以直接发送命令到指纹模块，使指纹模块进入休眠状态，系统电源关闭，可以通过外部复位信号唤醒模块。(5)灵活设置安全等级模块具有3种等级，用户可以自行设计某用户的安全等级，这样可以极大的保护系统的安全。(6)可靠性高用于评估指纹识别器的可靠性等级参数中，FPC-101指纹模块非常适用于本系统，拒真率1%，误识率0.001%，用于学生信息管理方面非常适合。FPC-101提供了
27、非常方便的接口和通信方式，FPC-101指纹识别模块的主要技术参数如表2.1所示。表2.1 PFC-101技术参数对照表指标项目技术参数指标项目技术参数系统供电3.6V-7V指纹数存储数量800枚正常工作电流170 mA认假率0.001%峰值电流200mA拒真率1%指纹录入时间250ms模块尺寸58.0*40*8.5mm1:1比对时间600ms指纹模板大小193bytes1:240搜索时间2s指纹模块的外部接口是一个5脚2.00mm的单排插座，接口非常方便，通过UART串口进行通信，通信波特率设置为19200bps、1位起始位、一位停止位、无校验位。这对于串行通信而言，速率足够高，能够在指定的
28、时间内完成各种操作，各引脚的功能如表2.2所示。表2.2 指纹接口各引脚功能对照表引脚名称定义类型功能说明1VIN电源输入PDC 5V-7.5V2TD数据发送O开漏输出，上位机端需要接上拉电阻3RD数据接收ITTL电平(3.3V或5V均可)4GND信号地P电源和信号地5START启动输入I当需重启系统时从此脚输入低电平脉冲指纹识别模块FPC-101拥有丰富的命令，可以很方便地操作，从主设备发送的命令及指纹模块的应答按数据长度可以分为两类：长度为8字节，如表2.3；大于8字节，如表2.4，此时的数据分为两部分:数据头+数据包。表2.3 长度为8字节指纹模块数据命令格式字节12345678命令0X
29、F5CMDP1P2P30CHK0XF5应答0XF5CMDQ1Q2Q30CHK0XF5其中CMD为命令/应答类型，P1,P2,P3为命令参数，Q1,Q2,Q3为应答参数；CHK校验和为第2字节到第6字节的异或值，Q3多用于返回操作状态信息，对应的状态信息数据为:0x00-操作成功；0x01-操作失败;0x04-指纹数据库已满；0X05-无此用户；0X07-用户已存在；0x08-采集超时。表2.4 长度大于8字节指纹模块数据头格式字节12345678命令0XF5CMDHi(Len)Low(Len)00CHK0XF5应答0XF5CMDHi(Len)Low(Len)Q30CHK0XF5当命令数据长度大
30、于8字节时，在数据头中，需要把数据的有效长度发送到主机，数据长度为16位，由两字节组成:Hi(Len)、Low(Len)，分别表示数据包长度的高、低8位。在命令头后紧跟着要发送的数据包，数据包的格式如表2.5所示，数据包的校验和CHK为第2个字节到第Len+1字节的异或值。表2.5 数据包格式字节12Len+1Len+2Len+3命令0XF5DataCHK0XF5应答0XF5DataCHK0XF5FPC-101指纹模块提供了非常丰富的操作命令，表2.6为系统中常用的命令，其中添加指纹命令需要三次命令操作，如果三次都操作成功，才能采集到一个有效的用户指纹。表2.6 FPC-101常用命令列表功能
31、类型12345678休眠模式命令0XF50X2C0000CHK0XF5应答0XF50X2C0000CHK0XF5添加指纹命令0XF50X01用户号(高)用户号(低)权限0CHK0XF5应答0XF50X0100状态0CHK0XF5添加指纹命令0XF50X02用户号(高)用户号(低)权限0CHK0XF5应答0XF50X0200状态0CHK0XF5添加指纹命令0XF50X03用户号(高)用户号(低)权限0CHK0XF5应答0XF50X0300状态0CHK0XF5删某用户命令0XF50X04用户号(高)用户号(低)00CHK0XF5应答0XF50X0400状态0CHK0XF5清空用户命令0XF50X0
32、5用户号(高)用户号(低)00CHK0XF5应答0XF50X0500状态0CHK0XF5取用户数命令0XF50X090000CHK0XF5应答0XF50X09用户数(高)用户数(低)状态0CHK0XF51:N比对命令0XF50X0C0000CHK0XF5应答0XF50X0C用户号(高)用户号(低)状态0CHK0XF5下载指纹特征命令0XF50X31用户号(高)用户号(低)00CHK0XF5应答0XF50X31数据长(高)数据长(低)状态0CHK0XF5数据0XF5高位用户号(低)权限连续数据CHK0XF5上传指纹特征命令0XF50X41数据长(高)数据长(低)00CHK0XF5数据0XF5高位
33、用户号(低)权限连续数据CHK0XF5应答0XF50X4100状态0CHK0XF52.3.2 非接触式一卡通读卡器非接触式IC卡又称射频卡，通常由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分6。它将射频识别技术和IC卡技术结合起来，结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，目前应用非常广泛。只要卡片靠近读写器表面一定范围(通常为510mm)，即可实现对卡片的读写。非接触式IC卡比接触式IC卡相比，具有冲突避免、高可靠性、操作方便、应用广泛、加密性能优越等优点7。在本系统中采用RU系列通用M1非接触式一卡通读卡器，用于读取学生的一卡通信息，该读卡器具有读写安全、
34、供电稳定、工作电流小、价位低等优点。读卡器提供了一外部接口用于连接到设备，共4个信号线，分别为：电源正、电源负、串口发送、串口接收。串口主要用于读取一卡通的卡号数据，该设备的波特率固定为57600bps，接收的数据格式如表2.7所示。表2.7 读卡器数据格式字节卡号长度+5卡号长度+4-4321数据0X03最大长度为10位有效卡号0X100X0B0X02由于不同的卡的卡号长度并不一致，目前高校中卡号最长为8位，在设计时扩大到10位，这样对于长度为10位有效位数的卡也能正确识别。2.3.3 可监控USB摄像头摄像头主要用于采集学生的照片信息、周围场景监控等。任务管理中心使用中天凌志带云台可旋转摄
35、像头ICAM-01，该摄像头具有38W像素，可以在远程控制旋转、倾斜运动下获得高质量的彩色图像。同时，此摄像头具有高速、在宽视场范围内旋转或倾斜运作安静，可以快速稳定地自动聚焦及自动曝光来控制背光补偿，对于光线不好的环境同样适用。该摄像头自带云台，可以左右旋转320度，上下倾斜60度，视场范围广。并而完全支持USB2.0接口，可以用作视频监控。对于普通采集用户信息的摄像头，可以使用普通免驱动摄像头，即方便操作，照片也清晰。2.4 本章小结本章详细介绍了系统的需求分析和系统的大致框架构成，通过分析，把系统分为两个部分：任务管理中心和端系统。通过对比，分析了与系统相关设备的选型。第3章 任务管理中
36、心软硬件分析与设计在上一章中，介绍了系统的需求分析及整个系统的总体框架设计。在本章中，详细介绍任务管理中心的软件和硬件设计，以及服务器的构建。3.1 任务管理中心硬件分析与设计为了使系统能够方便携带到任何地方，任务管理中心可以使用小型笔记本代替，但是目前笔记本的USB接口也并不多，更没有串口。系统中的外设如读卡器、指纹识别器、摄像头的接口并不统一，因此需要设计相应的硬件对接口进行扩展。系统启动工作一段时间后，可能有较长时间都不进行任何操作，为了延长系统的使用寿命和降低功耗，在设计中采用STC12C5A60S2单片机进行外设管理，当系统在一定的时间内没有操作时，关闭读卡器和指纹识别器的电源，卸载
37、USB摄像头驱动；当需要重新启动时，只需要轻轻按动指定的开关，即可打开电源，让系统继续工作。在系统的接口方面，读卡器和指纹识别器都是通过串口进行数据操作的，USB摄像头可以直接连接到USB接口。因此需要扩展USB口，使用USB-HUB将USB扩展到4个，再将其中的两个USB转为串口，接照接口接入到指定的设备即可。3.1.1 USB-HUB电路设计利用TERMINUS公司生产的FE1.1S芯片可以设计出高集成度、高性能、低功耗、低成本的高速USB 2.0转4端口集线器方案。该芯片具有28个引脚，SSOP28封装，可以使4个端口同时全速运作，而且发热量很小8。FE1.1S具有其它同类产品不可超越的
38、优势：1. 省电且发热量低。2. 信号传输范围广，最远可以到10米，而同类产品一般都是5米。3. 支持最多5个LED指示灯。4. 抗电磁波干扰、静电能力强。5. 正式通过USB-IF协会最新版的认证芯片。FE1.1S芯片的使用非常方便，只需要简单的电路设计即可以实现，其接口电路图如图3.1所示。图3.1 FE1.1S接口电路图上图中CH_D-,CH_D+和ZW_D-,ZW_D+连接到USB转串口CH340T芯片。同时提供两个独立的USB接口USB1，USB2；J4为进入系统的USB接口，系统与PC机通过此接口通信。3.1.2 STC12C5A60S2电路设计STC12C5A60S2是宏晶科技生
39、产的单时钟周期(1T)的单片机，是高速低功耗、抗干扰能力超强的新一代8051单片机9，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍，使用此类单片机，具有以下优点：1. 增强型8051 CPU，1个时钟周期，指令代码完全兼容传统8051。2. 共有4个16位定时器，使用方便。3. 共有两个全双工高速串行通信口，方便对串口编程。4. 内部集成MAX810专用复位电路。系统中单片机的连接电路图如图3.2所示，BEEP连接到外部蜂鸣器，CARD_RXD、CARD_TXD连接到一卡通读卡器串口，JDQ连接到5V继电器，控制指纹识别模块和读卡器的电源，RST_ZW连接指纹识别器的复位引脚，用于重启指
40、纹识别器，MCU_INT1连接一按扭，用于外部中断唤醒CPU，MCU_RXD、MCU_TXD为单片机与PC通信及下载程序所用串口，Temp连接到温度传感器DS18B20。图3.2 STC12C5A60S2接口电路图其中继电器工作电路如图3.3所示，POW_5V为指纹模块和读卡器的电源，如果继电器关闭，则电源断开。图3.4为单总线温度传感器DS18B20接口电路。 图3.3 继电器工作电路图 图3.4 DS18B20接口电路图由于一卡通读卡器的外部接口为标准9针串口输出，在单片机的接收电路中，需要加入RS232协议转换芯片MAX23210，该芯片接口电路简单，可以同时将两对信号进行转换，其连接电
41、路图如图3.5所示，其中CARD_IN为读卡器输入信号。图3.5 RS232协议转换电路图3.1.3 USB转串口电路设计CH340T是一个USB总线转接芯片，实现USB转为串口、USB转IRDA红外或者USB转打印口，它具有以下一系列优点。1. 全速USB设备接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶振和电容。2. 仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。3. 与计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。4. 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps2Mbps。5. 支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI
42、、DSR、CTS。6. 支持5V电源电压和3.3V电源电压。7. 提供SSOP-20无铅封装，兼容ROHS。系统中使用两个CH340T转换成两路串口，其中一路用于STC12C5A60S2的串口0，作为单片机的程序下载口及通信口；另一路用于与指纹识别器连接，使用CH340T可以大大简化电路设计，设计电路如图3.6所示。图3.6 CH340T USB转串口电路3.1.4 PCB电路板布局任务管理中心硬件电路主要使用8051单片机STC12C5A60S2、USB集线器FE1.1S、USB转串口芯片CH340T实现，电路简单，PCB布局时采用双层电路板设计，双面铺铜。由于电路板内要求连接USB差分总线
43、，因此在布线时要尽量保证差分线等长11，这样抗干扰及稳定性能都会有大大提升。在系统中使用继电器来控制指纹识别模块和读卡器电源，由于继电器工作时会产生干扰，因此在元件布局时要尽量远离高速信号线，放置在PCB板的边缘处，任务管理中心PCB整体布局效果及覆铜后效果如图3.7、3.8所示。 图3.7 任务管理中心PCB布局效果图图3.8 任务管理中心PCB覆铜效果图3.2 STC12C5A60S2单片机软件设计通过硬件设计，任务管理中心的结构图如图3.9所示，PC机与外部接口只需要连接一根USB接口信号线，这对于目前便携式小型电脑同样可以使用，只需要连接上一个USB接口，即可实现双方通信。图3.9 任
44、务管理中心硬件结构图从上图中可以看到，通过USB HUB和USB转串口控制器，转为两路串口：串口0和串口1。串口0用于与STC12C5A60S2单片机进行通信，对单片机在线编程也是通过串口0进行，非常方便。串口1直接连接到了指纹识别模块，保证数据的高速传输。由于该单片机带有两个串口，其中一个串口用于与PC机通信及下载程序使用，另一个串口连接到一卡通读卡器设备，通信波特率规定为57600bps，读卡器只读取卡号，并把卡号发送到单片机端，单片机并不对卡号进行任何处理，直接把数据通过串口0发送到PC机，由PC机进行处理。单片机通过对继电器的控制来操作指纹识别和读卡器的电源，当继电器断开时，电源关闭；
45、当继电器连接时，电源打开。单片机在下面的情况里会把接口的电源关闭。1. 与主机通信失败。2. 主机长时间没有操作。3. 主机当前没有使用指纹模块、一卡通模块。4. 主机命令关闭外设电源。5. 单片机非正常工作情况。其中与主机通信失败和主机当前没有使用指纹模块、一卡通模块的情况是一样的，此时单片机发送命令到主机，主机都不会响应命令，通过设置计时器超时重发来判断主机状态，从而确定是否关闭电源，对应通信协议如图3.10所示；在系统启动时，单片机同时启动定时器，监视用户操作，如果用户大于一定时间还没有任何操作，通过查询主机状态，判断是否关闭电源，在通信过程中如果出现主机超时无响应情况时，按照超时情况进行处理，对应通信协议图如图3.11所示。 图3.10 主机通信失败协议 图3.11 查询状态通信协议同样，当系统处理下面情况时，单片机会把接口的电源打开。1. 主机请求打开外设电源。2. 用户按键请求。PC主机可以通过命令请求打开外设电源，单片机收到命令后进行相应的操作并返回状态响应，对于超时情况，PC主机可以重发命令，如果重发还是接收不到响应命令，就认为与单片机失去联系。通过按键也可以请求打开外设电源，按键接到单片机外部