【正文】 為了優(yōu)化系統(tǒng)電路，端系統(tǒng)采用核心板 +擴(kuò)展板方案設(shè)計(jì)。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章小結(jié) 本章主要介紹任務(wù)管理中心的軟件和硬件設(shè)計(jì)，任務(wù)管理中心采用STC12C5A60S2 單片機(jī)管理外部設(shè)備，并設(shè)計(jì)了多種與 PC 主機(jī)通信的協(xié)議，在各種情況下，能有效保護(hù)連接的外設(shè)，降低系統(tǒng)功耗。 系統(tǒng)日志管理模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)日志記錄了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，本模塊僅有管理員才能進(jìn)行查看。 3. 使用戶不因 各類主機(jī)文件存儲(chǔ)器系統(tǒng)的差異而受影響 。 FTP 使用 TCP 生成一個(gè)虛擬連接用于控制信息，然后再生成一個(gè)單獨(dú)的 TCP 連接用于數(shù)據(jù)傳輸。 在本模塊中，四個(gè)成績(jī)錄入功能都不一致 ，故不能使用統(tǒng)一界面進(jìn)行處理。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 實(shí)驗(yàn)課程考勤模塊設(shè)計(jì)界面圖 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有學(xué)生輸入指紋，系統(tǒng)有可能會(huì)把指紋識(shí)別模塊的電源關(guān)閉。 圖 課程實(shí)驗(yàn)安排設(shè)計(jì)界面 實(shí)驗(yàn)課程安排總體流程如圖 所示，在實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)安排時(shí)，一個(gè)地點(diǎn)同一實(shí)驗(yàn)課程只能使用一個(gè)設(shè)備，這樣在進(jìn)行自動(dòng)考勤中系統(tǒng)可以識(shí)別出該教室應(yīng)到的學(xué)生。 實(shí)驗(yàn)課程安排模塊設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)課程安排模塊實(shí)現(xiàn)課程增加、安排相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的任課教師、輔導(dǎo)教師、實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間、實(shí)驗(yàn) 次數(shù) 、實(shí)驗(yàn)學(xué)生、實(shí)驗(yàn)室、相應(yīng)設(shè)備號(hào)等。 圖 教師基本信息采集設(shè)計(jì)界面 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在使用中，為了方便管理員對(duì)單個(gè)教師及同類教師查找，設(shè)計(jì)了按條件篩選的功能，可以 按教師代號(hào)直接查找對(duì)應(yīng)的教師或按研究類別、職稱、性別、政治面貌進(jìn)行分類篩選、打印。由于指紋識(shí)別模塊 FPC101 指紋容量有限，在進(jìn)行信息驗(yàn)證前需要選擇進(jìn)行驗(yàn)證的學(xué)生，在系統(tǒng)中，所選的學(xué)生人數(shù)不能超過(guò) 1000 個(gè)，否則超出指紋模塊容量而無(wú)法工作。 4. 學(xué)號(hào) 更新卡號(hào) 在此模 式下，用戶在輸入正確的學(xué)號(hào)后，可以通過(guò)讀卡器更新該學(xué)生對(duì)應(yīng)的一卡通卡號(hào)。如果系統(tǒng)無(wú)此卡號(hào)，提示有誤。只要用戶不切換系統(tǒng)模式，系統(tǒng)會(huì)按照既定的模式完成所有的學(xué)生信息錄入，系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)采用由卡號(hào)查詢學(xué)生信息，只要學(xué) 生刷一卡通，即可以查詢到該學(xué)生的信息，本模塊設(shè)計(jì)如圖 所示。界面中分為五個(gè)功能塊：功能選擇按鈕、登錄用戶信息、最近通知、用戶最近使用記錄、快捷操作區(qū)。 在表 中，使用 usr_admin 標(biāo)識(shí)用戶權(quán)限，系統(tǒng)登錄時(shí)首先判別用戶是否合法，然后讀取該用戶的權(quán)限。類間結(jié)構(gòu)關(guān)系采用繼承、依賴、聚合、關(guān)聯(lián)等實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)設(shè)計(jì)參見(jiàn)后文分析。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 系統(tǒng)部分類 成員及 方法 數(shù)據(jù)庫(kù)操作類實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各類與數(shù)據(jù)庫(kù)通信，需要提供強(qiáng)大的接口方便系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互。 指紋操作類用于系統(tǒng)與指紋設(shè)備通信，主要實(shí)現(xiàn)添加用戶指紋、刪除所有指紋、 1:N 搜索指紋、下載指定用戶指紋特征值、上傳用戶特征值等。這樣，用戶在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)只需要簡(jiǎn)單的把類所對(duì)應(yīng)的控件放到界面上，配置相應(yīng)的屬性，控件就可以工作了，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，界面美觀，大大減輕開(kāi)發(fā)的難度。 WinForm是 VS20xx 開(kāi)發(fā)平臺(tái)中對(duì) Windows Form的一種稱 號(hào) 。 對(duì)于各類模板的下載，把所有的用戶模板放置于 downloadfiles 目錄下，系統(tǒng)定位模板文件的目錄于此目錄下，這 樣用戶就僅能操作此目錄，下載到指定的模板文件。 圖 各數(shù)據(jù)表關(guān)系結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)遠(yuǎn)程 FTP 服務(wù)器構(gòu)建 利用 WINDOWS 20xx SERVER操作系統(tǒng)可以很方便建立安全性高的 FTP 服務(wù)器 。 指紋考勤分?jǐn)?shù)記錄表記錄各種入場(chǎng)類型及入場(chǎng)時(shí)間應(yīng)得的考勤成績(jī)，如表 所示。 表 實(shí)驗(yàn)課程安排表 Expinc 定義 屬性名 定義類型 相關(guān)說(shuō)明 屬性名 定義類型 相關(guān)說(shuō)明 ID Integer 序號(hào)自增 Etsum integer 實(shí)驗(yàn)次數(shù) Eflag Varchar(20) 課程標(biāo)識(shí) * Eteaother Varchar(30) 輔導(dǎo)老師 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Eo Varchar(10) 課程號(hào) * Ebtime Varchar(10) 開(kāi)課時(shí)間 Etsno Varchar(10) 教師號(hào) * Estusum integer 實(shí)驗(yàn)人數(shù) Estate Varchar(30) 實(shí)驗(yàn)狀態(tài) Etime Varchar(20) 增加時(shí)間 實(shí)驗(yàn)課程選課表記錄選課程的學(xué)生，組成課程成績(jī)的各個(gè)部分，如考勤成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)等，同時(shí)需要記錄考勤時(shí)各次入場(chǎng)的順序及入場(chǎng)時(shí)間等，通過(guò)這些信息，可以查詢到該學(xué)生的詳細(xì)考勤 記錄，總成績(jī)的各部分組成等，其中課程標(biāo)識(shí) Eflag參照了課程計(jì)劃表 Expplan 中的 Eflag，標(biāo)記出此記錄屬于哪門(mén)課程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程選課表如表 所示。設(shè)計(jì)課程信息表如表 所示。學(xué)生基本信息表的各屬性、類型定義、相關(guān)意義如表 所示，其中加粗部分為該數(shù)據(jù)表的主鍵。 圖 數(shù)據(jù)庫(kù)頂層數(shù)據(jù)流圖 根椐數(shù)據(jù)庫(kù)的頂層數(shù)據(jù)流圖，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的第一層數(shù)據(jù)流圖如圖 所示。 (4).易于安裝、部署和使用。同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)引擎可以在不同的平臺(tái)上使用。 SQL Server 20xx 是一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它繼承了 SQL Server 版本的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也增加了許多先進(jìn)的功能，具有使用方便、軟件集成程序高、可伸縮性好等優(yōu)點(diǎn)，并適用于多種平臺(tái)使用 [13]。 //定時(shí)器 0 計(jì)數(shù) } 遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建 為了共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，增加系統(tǒng)并發(fā)用戶數(shù)，設(shè)計(jì)中把系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在遠(yuǎn)程一服務(wù)器中，各個(gè)終端只需要連接到服務(wù)器即可訪問(wèn)中心數(shù)據(jù)庫(kù)。 TH0 = 0XD8。 //中斷 0 打開(kāi) TH1 = BPS。 //總中斷打開(kāi) ES = 1。 //串口 2 工作在方式 1，允許接收 ,8位可變波特率，無(wú)奇偶校驗(yàn)位 TMOD = 0X21。在系統(tǒng)工作中，如果用戶長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作，而且通過(guò)查詢主機(jī)允許進(jìn)入休眠模式時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行休眠模式，此時(shí)，可以通過(guò)外部按鈕重新喚醒單片機(jī)，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 通過(guò)按鍵也可以請(qǐng)求打開(kāi)外設(shè)電源，按鍵接到單片機(jī)外部中斷請(qǐng)求 INTR1引腳，如果用戶按下按鈕，打開(kāi) LED 指示燈，再通過(guò)發(fā)送命令查詢主機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，判斷是否需要打開(kāi)外設(shè)電源，詳細(xì)流程如圖 所示。 圖 主機(jī)通信失敗協(xié)議 圖 查詢狀態(tài)通信協(xié)議 同樣，當(dāng)系統(tǒng)處理下面情況時(shí)，單片機(jī)會(huì)把接口的電源打開(kāi)。 3. 主機(jī)當(dāng)前沒(méi)有使用指紋模塊、一卡通模塊。 單片機(jī)通過(guò)對(duì)繼電器的控制來(lái)操作指紋識(shí)別和讀卡器的電源，當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，電源關(guān)閉；當(dāng)繼電器連接時(shí)，電源打開(kāi)。 圖 任務(wù)管理中心硬件結(jié)構(gòu)圖 從上圖中可以看到，通過(guò) USB HUB 和 USB 轉(zhuǎn)串口控制器，轉(zhuǎn)為兩路串口：串口 0 和串口 1。 圖 CH340T USB轉(zhuǎn)串口電路 PCB電路板布局 任務(wù)管理中心硬件電路主要使用 8051 單片機(jī) STC12C5A60S USB 集線器、 USB 轉(zhuǎn)串口芯片 CH340T 實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單， PCB 布局時(shí)采用雙層電路板設(shè)計(jì)，雙面鋪銅。 5. 支持常用的 MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào) RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 1. 全速 USB設(shè)備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶振和電容。 圖 STC12C5A60S2 接口電路圖 其中繼電器工作電路如圖 所示， POW_5V 為指紋模塊和讀卡器的電源，如果繼電器關(guān)閉，則電源斷開(kāi)。 2. 共有 4 個(gè) 16 位定 時(shí)器，使用方便。 芯片的使用非常方便，只需要簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)即可以實(shí)現(xiàn)，其接口基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 電路圖如圖 所示。 2. 信號(hào)傳輸范圍廣，最遠(yuǎn)可以到 10 米，而同類產(chǎn)品一般都是 5 米。因此需要擴(kuò)展 USB 口，使用 USBHUB將 USB 擴(kuò)展到 4 個(gè)，再將其中的兩個(gè) USB 轉(zhuǎn)為串口，接照接口接入到指定的設(shè)備即可。 任務(wù)管理中心硬件分析與設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)能夠方便攜帶到任何地方，任務(wù)管理中心 可以 使用小型筆記本代替，但是目前筆記本的 USB 接口也并不多，更沒(méi)有串口。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的需求分析和系統(tǒng)的大致框架構(gòu)成，通過(guò)分析，把系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：任務(wù)管理中心和端系統(tǒng)。同時(shí)，此攝像頭具有高速、在寬視場(chǎng)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)或傾斜運(yùn)作安靜，可以快速穩(wěn)定地自動(dòng)聚焦及自動(dòng)曝光來(lái)控制背光補(bǔ)償，對(duì)于光線不好的環(huán)境同樣適用。串口主要用于讀取一卡通的卡號(hào)數(shù)據(jù)，該設(shè)備的波特率固定為 57600bps， 接收的數(shù)據(jù)格式如表 所示。只要 卡片靠近讀寫(xiě)器表面 一定范圍 (通常為 5～ 10mm)， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)卡片的讀寫(xiě) 。在命令頭后緊跟著要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的格式如表 所示，數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和 CHK 為第 2 個(gè)字節(jié)到第 Len+1 字節(jié)的異或值。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 表 指紋接口各引腳功能對(duì)照表 引腳 名稱 定義 類型 功能說(shuō)明 1 VIN 電源輸入 P DC 2 TD 數(shù)據(jù)發(fā)送 O 開(kāi)漏輸出，上位機(jī)端需要接上拉電阻 3 RD 數(shù)據(jù)接收 I TTL電平 ( 5V均可 ) 4 GND 信號(hào)地 P 電源和信號(hào)地 5 START 啟動(dòng)輸入 I 當(dāng)需重啟系統(tǒng)時(shí)從此腳輸入低電平脈沖 指紋識(shí)別模塊 FPC101 擁有豐富的命令，可以很方便 地操作，從主設(shè)備發(fā)送的命令及指紋模塊的應(yīng)答按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以分為兩類：長(zhǎng)度為 8 字節(jié)，如表；大于 8 字節(jié)，如表 ，此時(shí)的數(shù)據(jù)分為兩部分 :數(shù)據(jù)頭 +數(shù)據(jù)包。 (6)可靠性高 用于評(píng)估指紋識(shí)別器的可靠性等級(jí)參數(shù)中， FPC101 指紋模塊非常適用于本系統(tǒng)，拒真率 1%，誤識(shí)率 %，用于學(xué)生信息管理方面非常適合。 (2)性價(jià)比高 FPC101 模塊算法根椐光學(xué)頭成像原理設(shè)計(jì)，算法對(duì)變形、質(zhì)量差指紋均有較好的校正和容錯(cuò)性能。根椐需求分析，端系統(tǒng)的軟件構(gòu)成如圖 所示，運(yùn)行平臺(tái)采用 WINCE 。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根椐上一節(jié) 中的需求分析實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，詳細(xì)設(shè)計(jì)參照下一章。 設(shè)計(jì)任務(wù)管理中心的總體構(gòu)架圖如圖 所示。 任務(wù)管理中心總體架構(gòu)分析 任務(wù)管理中心需要完成各類的學(xué)生信息管理工作，包括多類權(quán)限用戶登錄、學(xué)生信息管理、用戶信息管理、教師信息管理、學(xué)生課程選修管理、課程成績(jī)管理 、各類模板下載等功能。 對(duì)于各類模板的下載，可以使用遠(yuǎn)程 FTP 服務(wù)器，對(duì)于需要的文件，直接通過(guò) FTP 下載到客戶端，因此在服務(wù)器中同時(shí)開(kāi)通遠(yuǎn)程 FTP 服務(wù)器。 系統(tǒng)總體架構(gòu)分析 系統(tǒng)硬件上由兩部分組成：任務(wù)管理中心和端系統(tǒng)。 2. 管理員方面的軟件性能需求 從管理員的角度來(lái)看，軟件系統(tǒng)的性能首先表現(xiàn)在系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間上，除 此基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 之外，管理員還要關(guān)心系統(tǒng)的狀態(tài)相關(guān)信息，例如對(duì)于并發(fā)用戶訪問(wèn)量大時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，服務(wù)器的硬件性能及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性等。 1. 用戶方面的軟件性能需求 用戶所關(guān)心的軟件性能是指軟件對(duì)用戶操作的響應(yīng)時(shí)間。 系統(tǒng)性能需求分析 當(dāng)我們提到軟件性能測(cè)試的時(shí)候，有一點(diǎn)很明確的：測(cè)試關(guān)注的重點(diǎn)是“性能”。 2. 攝像頭監(jiān)控 要求監(jiān)控入場(chǎng)的場(chǎng)景，并存入到指定的文件中，當(dāng)文件過(guò)大時(shí)及時(shí)上傳到服務(wù)器中或選擇刪除時(shí)間較早的監(jiān)控視頻，其中視頻監(jiān)控 操作支持遠(yuǎn)程控制操作。這時(shí)系統(tǒng) 需要長(zhǎng)時(shí)間 運(yùn)行， 也要求端系統(tǒng)具有錯(cuò)誤自檢、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能。 課程成績(jī)統(tǒng)計(jì)部分需要完成對(duì)組成成績(jī)的四個(gè)部分的成績(jī)進(jìn)行調(diào)整，并且自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)學(xué)生的總成績(jī)，按指定的格式打印學(xué)生的成績(jī)單等操作。 考勤成績(jī)通過(guò)前面設(shè)置的課程及教室自動(dòng)讀取本教室的學(xué)生指紋數(shù)據(jù)，根椐學(xué)生進(jìn)入的時(shí)間自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出本次的考勤成績(jī)，并記錄此學(xué)生的具體進(jìn)入時(shí)間。 系統(tǒng)管理員可以對(duì)所有的教師信息進(jìn)行編輯；教師只能編輯本人的信息和查看其它教師的信息；學(xué)生可以瀏覽教師指定信息，如個(gè)人介紹等，這樣可以方便學(xué)生了解教師的目前科研情況。系統(tǒng)管理員可以使用學(xué)生一卡通查找對(duì)應(yīng)的學(xué)生，查看其信息；學(xué)生需要登錄系統(tǒng)來(lái)查看自已的信息。 對(duì)于忘記密碼用戶如果帶有終端，可以通過(guò)指紋登錄到系統(tǒng)再更改本人信息，否則提示聯(lián)系管理員用戶進(jìn)行更新用戶資料。 1. 多類權(quán)限用戶登錄 為了適用于多類用戶操作，系統(tǒng)需要支持三類用戶登錄：系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生。 本節(jié)對(duì)任務(wù)管理中心和端系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的需求分析，明確其軟硬件需要完成的具體任務(wù)。 另外，需要把學(xué)生的考勤成績(jī)和其它成績(jī)結(jié)合，教師只需要按格式導(dǎo)入各部分的成績(jī)，就可以得到每個(gè)學(xué)生的總成績(jī)。因此，設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)化、規(guī)格化的系統(tǒng)可以大大減小教師的工作量。任務(wù)管理中心要具有功能多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量也比較復(fù)雜，因此需要采用 PC 機(jī)進(jìn)行處理；端系統(tǒng)要求具有攜帶方便、低功耗、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此使用 S3C2440 處理器，運(yùn)行 操作系統(tǒng)。 第 6 章 總結(jié)與展望。 第 4 章 端系統(tǒng)軟硬件分析與設(shè)計(jì)。 第 2 章 系統(tǒng)需求分析及總體構(gòu)架設(shè)計(jì)。 本文圍繞系統(tǒng)各方面要求，設(shè)計(jì)了任務(wù)管理中心和若干個(gè)端系統(tǒng)，任務(wù)管理中心由 PC 機(jī)組成