基于主动式RFID的考勤系统设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 北京大学信息科学技术学院李楠段晓辉吴亚坤华实　基于主动式ＲＦＩＤ的考勤系统设计　一　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ａｃｔｉｖｅ　ＲＦＩ　Ｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　摘要：本文介绍了一种全新的考勤系统。系统基于主动式ＲＦＩＤ，实现了低功耗设计和反碰撞算法。本文重点介绍这种　新考勤系统的构思和硬件设计，并且简介软件设计流程和系统指标　－Ｉ广　卫　关键词：主动式ＲＦＩＤ；低功耗；反碰撞　引言　随着射频技术的发展３１１ＲＦＩＤ卡的　ＲＦＩＤ系统读写装置的读写距离很短，　米，员工们可以一起进入办公大楼，一　一般在１０ｃｍ以内，所以员工必须排队　起完成上班签到，无需排队等候，使得　　推广和应用，大部分企业已经开始使　逐个打卡。排队问题造成员工等待时　考勤更加方便，工作效率进一步提高。用ＲＦＩＤ卡考勤系统。员工只要将ＲＦＩＤ　间的延长，降低了工作效率，尤其在上　卡在非接触读写装置的有效距离内出　班高峰时段，排队现象尤为严重。本来　示一下，即可自动完成整个考勤的操　员工分时段打卡等办法，但这些都是　系统描述　本考勤系统基于主动式ＲＦＩＤ技　作过程。但目前的ＲＦＩＤ卡考勤系统在　后期采取的补救办法，有一定的局限　术，系统分为主卡和从卡两部分。　实际使用中暴露出一个严重问题——　性。本文设计了一套新的考勤系统，可　主卡是读写器，由外部电源供电。　排队问题：由于目前的考勤系统是基　以从根本上消除排队现象。新系统基　主卡和计算机相连，把识别的员工信　Ｄ技术，识别距离可达３０　息传输给计算机。从卡由员工随身携　于被动式ＲＦＩＤ技术的，这种被动式　于主动式ＲＦＩ带，由电池供电。从卡平时处于低功耗　节电状态，只有当员工以按键或其它　方式从外部触发从卡时，从卡才发送　该员工信息给主卡，完成考勤签到。　要实现本系统必须解决两个难点　问题：低功耗设计和反碰撞算法。　１．低功耗设计：由于从卡由电池供　电，而电池的容量和使用时间是有限　的，所以必须对从卡进行低功耗设计，　从而尽可能节省功耗，延长电池使用　时间。　２．反碰撞算法：当多名员工进入大　厅并且同时触发从卡签到时，就会产　生碰撞问题，造成数据丢失，使签到失　一　・２００６．６　、ＩＩ，１ＩＩ，１ＩＩ，．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com ８ｍＡ；ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式　以通过外接电源供电，又可以使用电　败，同时也会带来额外的功耗。因此必　式功耗可低至０．须实现反碰撞算法，才能使本系统正　是它独特的低功耗设计，可以把功耗　池单独供电。主卡主要使用外接电源　常工作。　　降得更低；它独特的ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ技术可　给系统供电。从卡通常使用电池供电，以同时接收两个ＲＦ频道的数据。　从而便于携带，因此必须考虑低功耗　硬件设计　本系统的控制模块选择ＴＩ公司的　设计。由于ＲＦＩＤ卡的体积要求尽量小，　硬件系统框图如图１。硬件设计兼　单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１２３，主要也是从低功　容了主卡和从卡的设计需求，使同一　耗角度出发的。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３采用了ＴＩ　块ＰＣＢ板既可以配置成主卡，又可以配　公司最新的低功耗技术，使其在众多　置成从卡。如下框图包括主卡和从卡　的单片机中独树一帜；它的工作电压　的设计，是兼容设计框图。主卡和从卡　１．８～３．６Ｖ；它内部带有Ｆｌａｓｈ，这样的　的设计区别在于：主卡采用外部电源　单片机可以大大降低功耗；其高效率　供电，并且不需要外部触发；从卡采用　精简１６位指令结构可以确保任务的快　电池供电，并且不需要串口。　速执行；它有正常工作模式（ＡＭ）和　主要器件选取　４种低功耗工作模式，在电压为３Ｖ时，　经过比较，本系统采用Ｎｏｒｄｉｃ公司　各种模式的工作电流分别为ＡＭ：　的低功耗射频芯片ｎＲＦ２４０１作为无线　３００ｕＡ、ＬＰＭ１：５５ｕＡ、ＬＰＭ２：１７ｕＡ、　收发模块。因为它具有如下优势：　ＬＰＭ３：２ｕＡ、ＬＰＭ４：０．１ｕＡ；唤醒时间　ｎＲＦ２４０１是业界体积最小、功耗最少、　只需６ｕｓ，使启动更加迅速，降低了电　外围元件最少的无线收发芯片；它工　池的功耗；单片机外部可接３２ｋＨｚ￣频　作在全球开放的２．４ＧＨｚ频段；工作电　率晶体。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３的超低功耗使其　压１．９～３．６Ｖ，满足低功耗设计需要；它　在电池供电、便携式设备的应用中表　采用低功耗设计，休眠模式功耗只有　现出非常优良的特性。　４００ｎＡ，接收模式功耗１８ｍＡ，发送模　电源模块采用兼容性设计，既可　所以只能采用纽扣电池供电，本系统　选用了容量最大的纽扣电池ＣＲ２４７７，　容量为９５０ｍＡＨ。　主要工作原理　本系统的主要工作原理是通过单　片机ＭＳＰ４　３０Ｆ　１　２　３控制射频芯片　ｎＲＦ２４０１进行收发，并且在不同的工作　状态进行相应的低功耗管理。单片机　通过ＰＷＲ、ＣＥ、ｃｓ三个引脚对ｎＲＦ２４０１　进行模式配置，通过设置这三个引脚　的高低电平，可以将ｎＲＦ２４０１配置为工　作模式、待机模式或休眠模式。从卡初　始化以后，ｎＲＦ２４０　１进入休眠模式，　ＭＳＰ４３０Ｆ１２３进入ＬＰＭ４休眠模式，此　时功耗最低。当外部触发后，单片机被　Ｐ　２．２引脚的外部中断激活，并将　ｎＲＦ２４０１配置为发送模式，单片机通过　ＳＰＩ方式向ｎＲＦ２４０１传送数据，ｎＲＦ２４０１　以Ｓｈｏｃｋｂｕｒｓｔ方式向主卡发送高频信　号。当主卡的ｎＲＦ２４０１收到正确的高频　信号后，会通过ＤＲ１引脚给单片机产生　中断，原本处于ＬＰＭ４休眠模式的单片　机被中断激活。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３通过ＳＰＩ　方式接收ｎＲＦ２４０１传送的数据，并将数　据通过串ＶＩ芯片ＭＡＸ３２２２传送给计算　机。　低功耗设计　对本系统进行低功耗设计时，主　要遵循如下几个重要原则：（１）低功耗　器件的选取是设计的重要一步，本系　统重要器件的选取都是从低功耗角度　出发的，在前面已经进行了详述。（２）电　、Ｉ，、Ｉ，、Ｉ，．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ麟２００６．６・　＿　Ｉ＿．广　卫　■一　一　维普资讯 http://www.cqvip.com 压宜低不宜高，本系统使用整个系统　图３、４。　ＴＸＤａｔａ［２］＝ｄａｔａｌ；／／数据０　ＴＸＤａｔａ［３］＝ｄａｔａ２；／／数据１　ＴＸＤａｔａ［４］＝ｄａｔａ３；／／数据２　Ｐ１ＯＵＴ＝０ｘ０６；／／将ＣＥ置高　Ｄｅｌａｙ８ｕｓ（）；／／延时５ｕｓ以上将地　正常工作的最低电压２Ｖ。（３）时钟宜慢　不宜快，单片机采用３　２ｋＨＺ晶振，　本系统的主卡和从卡分别按照各　自的程序进行工作。但是主卡和从卡　ｎＲＦ２４０１采用４ＭＨｚ晶振，都是芯片工　的程序都是由相同或相近的子程序组　作的最低晶振速率。（４）进行低功耗管　成的，包括发送、接收、休眠、定时、　理设计，本系统器件都具有休眠模式，　当不需要某个器件工作时，就将其设　一　为休眠模式，最大限度节省功耗，整个　系统休眠功耗只有０．５ｕＡ，功耗极低。　（５）低功耗电路设计也很关键，例如本　系统一率采用中断方式，而非查询方　式，可以让单片机工作于突发状态，更　省功耗；ＪＴＡＧ端口ＴＭＳ、ＴＣＫ和ＴＤＩ　不要接地；ＣＭＯＳ输入端不能有浮空的　节点，将所有输入端接适当的电平，不　用的端口设置成输出端等等，所有能　产生功耗的细节问题都要考虑到。　软件设计　本文的反碰撞算法采用了目前比　较成熟的ＣＳＭＡ／ＣＡ算法。该算法是无　线局域网８０２．１　１协议使用的反碰撞算　法，非常适用于本考勤系统，所以直接　将此算法移植到本系统中使用。由于　ＣＳＭＡ／ＣＡ算法已经被广泛使用，业内　有很多关于它的介绍和实现方面的资　料，在此限于篇幅就不具体介绍了。　软件的实现上也要考虑低功耗设　计。在软件设计上主要注意节省程序　的开销，本系统不使用外部存储器，而　是使用寄存器变量；不使用查询方式，　而是及时响应中断；充分利用电源管　理，当系统不需要工作时都设定为休　眠模式；尽量缩短软件设计以及代码　的开销。　本系统主卡和从卡的软件按照不　同的流程分别设计，各自的流程图如　・２００６。６　ｗｗｗ．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　回退、中断等子程序。不同之处在于这　址和数据送到ｎＲＦ２４０１的ＦＩＦＯ中　些子程序的调用顺序不同，主卡和从　ｆｏｒ（ｉ：０；ｉ＜５；ｉ＋＋）／／单片机通过ＳＰＩ　卡分别按照各自流程图中的顺序调用　向ｎＲＦ２４０１传送数据　相应的子程序，参见上面的流程图。下　｛　面列出这些主要子程序的代码和注释。　Ｓｐｉ＿Ｒｅａｄ　Ｗｒｉｔｅ（ＴＸＤａｔａ［ｉ］）；　ｖｏｉｄ　ＴＸ＿Ｐａｃｋｅｔ（）／／发送子程序　｝　｛　Ｐ１ＯＵＴ＝０ｘ０４；／／将ＣＥ置低后　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｉ；　ｎＲＦ２４０１开始高频发送，发送完成后进　ＴＸＤａｔａ［０］＝０ｘｃｃ；／／地址高字节　入待机模式　ＴＸＤａｔａ［１］＝０ｘｃｃ；／／地址低字节　｝　维普资讯 http://www.cqvip.com ｖｏｉｄ　ＲＸＰａｃｋｅｔ（ｉｎｔ　ｒ）／／接收子程　｛　ＴＡＣＴＬ　Ｊ＝ＭＣＯ；／／启动定时器　序　｛　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｉ；　Ｐ２ＩＥ＝０ｘ００；／／关所有中断　ｄｒｆｌａｇ＝ｌ；／／把数据就绪标志置１　ＢＩＣＳＲ——＿ＢＩＳ—ＳＲ（ＬＰＭ３　ｂｉｔｓ）；／／单片机进　入待机模式　ＩＲＱ（ＬＰＭ４＿ｂｉｔｓ）；　ｆｏｒ（　０；ｉ＜ｒ；ｉ＋＋）／／把ｎＲＦ２４０１接收　／／把单片机从休眠模式激活　到的数据通过ＳＰＩ传给单片机　｛　ＲＸＤａｔａ［ｉ】＝Ｓｐｉ　Ｒｅａｄｗｒｉｔｅ（０ｘｆｆ）；　｝　｝　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ＳｐｉＲｅａｄＷｒｉｔｅ　（ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂｙｔｅ）／／通过ＳＰＩ实现　ｎＲＦ２４０１和单片机的通信　｛　ＴＸＢＵＦ０＝ｂｙｔｅ；／／将数据写入ＳＰＩ　数据寄存器　ｗｈｉｌｅ（（ＵＯＴＣＴＬ＆０ｘ０１）！＝１）；／／等　待ＳＰＩ发送完成　ｒｅｔｕｒｎ　ＲＸＢＵＦ０；／／返回从ＳＰＩ读到　的数据　｝　＃ｐｒａｇｍａ　ｖｅｃｔｏｒ＝ＰＯＲＴ２ＶＥＣＴＯＲ　／／外部中断子程序　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ　ｖｏｉｄ　ＰＯＲＴ２（ｖｏｉｄ）　｛　ｉｆ（（Ｐ２ＩＦＧ＆０ｘ０４）一０ｘ０４）／／　０断　中断是否为外部触发中断　｛　Ｐ２ＩＥ＝０ｘ００；／／关所有中断　＿ＢＩＣＳＲＩＲＱ（ＬＰＭ４＿ｂｉｔｓ）；／／把单　片机从休眠模式激活　Ｐ２ＩＥ＝０ｘ０８；／／开Ｐ２．３中断，可接收　ＤＲ１消息中断　Ｐ２ＩＦＧ＝０ｘ００；／／清中断标志位　｝　ｉｆ（（Ｐ２１ＦＧ＆０ｘ０８）￣０ｘ０８）／／判断中　断是否为ＤＲ１消息中断　Ｐ２１ＦＧ＝０ｘ００；／／清中断标志位　｝　｝　≠ｉ｝Ｐ　ｒ　ａ　ｇ　ｍ　ａ　ｖｅｃｔｏｒ＝ＴＩＭＥＲＡ０ＶＥＣＴＯＲ／／定时器　中断子程序　＿＿ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ　ｖｏｉｄ　ＴＩＭＥＲ＿Ａ（ｖｏｉｄ）　｛　ＴＡＣＴＬ　Ｉ＝ＭＣ一０；／／停止增计数模　式　＿ＢＩＣ—ＳＲＩＲＱ（ＬＰＭ３　ｂｉｔｓ）；／／把　单片机从待机模式激活　｝　休眠、定时和回退子程序包含在　ｍａｉｎ函数中：　ｖｏｉｄ　ｍａｉｎ（ｖｏｉｄ）　｛　……　／／休眠子程序　Ｐ１ＯＵＴ＝０ｘ００；ＨｎＲＦ２４０１进入休　眠模式　ＢＩＳ～ＳＲ（ＬＰＭ４＿ｂｉｔｓ）；／／单片机进　入低功耗休眠模式　／／定时子程序　ＴＡＣＣＴＬ０＝ＣＣＩＥ；／／开启定时器　中断　ＣＣＲ０＝ｔｉｍｅ；／／设置定时时间　Ｔ　Ａ　Ｃ　Ｔ　Ｌ　＝　ＴＡＳＳＥＬ０＋ＩＤＩ＋ＩＤ０＋ＴＡＣＬＲ；／／配置　定时器　／／二进制指数随机回退程序　ｙ＝ｐｏｗ（２，（ｓ・１））；／／随机数取值范　围，Ｙ为２的ｓ・１次方　ｓｒａｎｄ（ＴＡＲ）；／／将计数器的值作为　随机种子　ｋ：ｒａｎｄ（）％ｙ；／／在［０，ｙ】的范围内产　生随机数　ｏｆｒ（ｘ＝０；ｘ＜ｋ；ｘ＋＋）／／根据产生的随　机数定时，实现回退　｛　ＮＯＰ（）；　｝　｝　结语　本文介绍了一种基于主动式ＲＦＩＤ　技术设计的全新高效的考勤系统，解　决了目前ＲＦＩＤ卡考勤系统中无法避免　的排队问题。在系统设计中解决了低　功耗设计和反碰撞算法两大难点，使　得ＲＦＩＤ卡在不更换电池的情况下可以　长期使用，并且多名员工在同时打卡　时能全部被系统识别。■　参考文献　１．李锦涛等，　‘射频识别（ＲＦＩＤ）　技术及其应用’，信息技术快报，２００４年　２．ＮｏＲＤＩＣ　ＳＥＭＩＣ０ＮＤＵＣｒ０Ｒ，　‘Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ２．４ＧＨｚＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｎＲＦ２４０１Ａ　‘，２００４．　州Ｉ，、ＩＩ，．ｅｃｎｃｈｉｎａ．ｔｏｍ　２００６．６・　卫　－Ｉ厂　■Ｉ　一