基于NFC的智能考勤系统设计.docx
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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计摘 要随着近场通信技术与信息产业的持续发展,国内外涌现了大批搭载RFID与NFC的电子设备,为人们的生产生活提供便利。在课堂活动或公司会议中,考勤是帮助组织者统计到场情况的方式,传统的考勤多通过人工签到考勤,这种方式工作量大,效率低,不利于统计,难以进行科学高效的管理,高效率且方便的通信签到方式显得尤为重要。为进一步改善考勤签到效率,有必要开发一种基于NFC的智能考勤系统。本设计旨在设计并完成基于NFC技术的智能考勤系统,该应用基于Android操作系统,利用Node MCU与IC模块进行考勤数据采集,可以实现手机客户端的智能考勤,查询、下载会议相关
2、信息等功能。且客户端具备后台管理功能,可以提供签到管理,修改签到信息,并对签到人员进行统计,有效记录签到信息。关键词:近场通信;NFC;Android;考勤系统Design of intelligent attendance system based on NFCAbstractWith the continuous development of near-field communication technology and information industry, a large number of electronic devices equipped with RFID and NFC
3、 have emerged at home and abroad, providing convenience for peoples production and life. In class activities or company meetings, attendance is a way to help the organizer count the attendance. The traditional attendance mostly relies on manual attendance, which is heavy in workload, low in efficien
4、cy, not conducive to statistics, and difficult to carry out scientific and efficient management. Efficient and convenient communication attendance is particularly important. In order to further improve the attendance efficiency, it is necessary to develop an intelligent attendance system based on NF
5、C.This design aims to design and complete an intelligent attendance system based on NFC technology. This application is based on the Android operating system, and USES Node MCU and IC module to collect attendance data. It can realize the functions of smart attendance of mobile phone clients, query a
6、nd download information related to the meeting, etc. In addition, the client has the background management function, which can provide check-in management, modify check-in information, conduct statistics on the check-in personnel, and effectively record the check-in information.Keywords:Near Field c
7、ommunication;NFC;Android;Attendance system目录1前言11.1研究背景和意义11.2国内外发展概况和现状11.3本设计的主要工作安排22NFC相关理论基础22.1RFID系统组成22.2NFC技术简述32.3NFC手机43考勤系统与管理系统应用设计63.1考勤过程整体分析与过程设计63.2系统方案选择与设计73.2.1感应端IC模块与MCU73.2.2TinyWebDB服务器93.2.3NFC点对点连接设计103.2.4APP与TinyWebDB通信设计113.2.5考勤管理系统用户端设计123.3测试与改进164结论19参考文献20谢 辞21附 录22
8、1 前言1.1 研究背景和意义NFC原意为近场通信技术,在一些文献中也称为进场通信Error! Reference source not found.。英文译为Near Field Communication,是一种主要应用于智能设备具有通信需求但需要进行非接触式通信的场景,是一种应用范围小于一米,通常介于0-10厘米范围内使用的近场通信技术Error! Reference source not found.。因此带有NFC功能的智能设备可以在近距离进行全双工通信,例如NFC手机,可以在近距离(小于5厘米)情况下进行数据传输。NFC技术的前身是RFID技术,即非接触式射频识别技术,又称互联互通
9、技术,带有RFID功能的硬件可通过三种方式:读卡器、感应式卡片和点对点通信方式Error! Reference source not found.。利用智能手机实现金融支付、在线电子票务、无线感应门禁、身份辩别、智能防伪等功能应用。而NFC为RFID其中的一种,主要有以下用途。首先,门禁功能较早地出现,并且广泛地应用在各大住宅、商圈和校园Error! Reference source not found.。主要体现形式为一张带有感应式功能的卡片,卡片上通常印用持有单位与个人信息,通过该门禁对该卡片进行射频识别,身份确认无误即可开门。与之类似的有公交卡刷卡乘车、校园卡的刷卡点餐和汽车行业的无钥匙
10、识别系统,都有NFC或RFID功能的应用,在下文进行了NFC与RFID的区别分析。另一种典型的应用场景,是智能化的仓储系统,在仓库通过对每一件货物添加专属的RFID标签,即可实现货物的快速查找与定位,为自动化仓储提供信息,加大了仓储物流的效率Error! Reference source not found.。以上应用场景,归根结底其实射频识别的两大应用场景就是:身份识别、物品供应链运输链管理。在本质上物品供应链管理也属于身份识别。所以,本设计研究背景为NFC功能和RFID功能在身份识别上的应用方法,具体为智能考勤系统设计体系提供一种创新的模式Error! Reference source n
11、ot found.。1.2国内外发展概况和现状2000年以来,在各国的支持下,NFC技术从2004年开始快速发展Error! Reference source not found.。起初是由欧洲开始进行小范围实验性的推广,主要由运营商、金融行业联合手机厂商推出的手机支付功能,可进行票务或商品的购买。在美国,Visa从2006年开始大力支持NFC技术的发展Error! Reference source not found.。到2014年,已经有超过2万个Visa在全球的销售点已经支持NFC功能的移动支付。在智能手机行业,厂商快速跟进,从早期的HTC、诺基亚开始,到现在各大手机厂商均推出了多款支持
12、NFC技术的智能手机,到目前主流手机厂商例如三星、苹果、华为、小米的智能手机都具备NFC功能。经过十多年的发展,NFC技术的一个重要成果体现在了NFC手机上Error! Reference source not found.。具有NFC功能的手机不仅可以让手机成为公交卡、银行卡,还是信息交流,网络办公的重要手段。随着现代化办公的发展,对办公效率有了更加高的要求,这不仅仅体现在工作时长,也需要新型科技手段的配合,本文就以智能手机的NFC功能为基础,设计手机签到应用为高效的办公提供便利。1.3 本设计的主要工作安排本设计主要目的是开发一款基于NFC技术的智能考勤系统设计,该应用基于Android操
13、作系统,使用该智能考勤系统的用户可以在手机端进行考勤签到,查询活动相关信息。拥有服务器提供后台功能,后台可以提供签到管理功能,具备修改签到信息,并对签到人员进行统计等功能。通过该基于NFC技术的智能考勤系统设计,可以提供活动信息,有效记录签到信息,主要的任务和目标有以下三点。第一点,可以完成活动邀请、报名、签到,参与活动人员的管理,人员的列表查找,临时出入场管理,统计和分析;第二点,后台服务器可以提供多种功能,例如增加删改活动,修改活动信息,并可以对参会人员到场状况进行统计;第三点,应用功能实用,用户界面良好,可以实时发布或定点发布。基于以上三点,本设计主要工作已经明确,首先要对NFC技术有深
14、入的了解,进而完成设计要求中围绕NFC展开的应用;熟悉应用APP的开发,完成前后端对于操作系统以及服务器之间信息的闭环。所以,本篇的第二节对NFC的相关理论基础做了介绍,第三节进行了Android应用设计与实现,详细介绍了整个系统的框架,描述了该智能考勤系统设计开发的详细过程,最后完成了应用的开发与测试,进行总结。2 NFC相关理论基础2.1 RFID系统组成RFID射频识别技术是“射频识别:Radio Frequency Identification”的首字母缩写,指的是一种近场通信技术,通过射频识别标签或智能标签编码的数字数据被读者通过无线通信捕获Error! Reference sour
15、ce not found.。RFID标签类似于条形码,来自标签或标签的数据被存储在数据库中的设备捕获。然而,与使用条形码软件的系统相比,RFID有几个优点,RFID标签数据可以在视线之外读取,而条形码必须与光学扫描仪对齐。因此,RFID也属于自动识别和数据捕获AIDC技术。通过AIDC方法可以自动识别标签,收集有关RFID标签的数据,并在很少或没有人工干预的情况下将这些数据直接输入计算机系统。RFID方法利用无线通信来实现这一点。简单地说,RFID系统由三个组件组成:RFID标签或智能标签、RFID阅读器和天线。RFID标签包含集成电路和天线,用于向RFID阅读器(也称为询问器)传输数据。然后
16、阅读器将无线电波转换成一种更有用的数据形式。从标签收集的信息然后通过通信接口传输到主机计算机系统,在主机计算机系统中,数据可以存储在数据库中。RFID标签可以工作在低频到超高频的频段,而NFC工作频段处于13.56Mhz左右,因此RFID和NFC在频段上是包含关系,频段关系如图2.1所示。NFCRFID图2.1 NFC与RFID频段关系图2.2 NFC技术简述Near Field communication-NFC近场通信技术是一种用于智能手机或电子设备通过近距离接触(通常不大于10厘米)建立无线通信的技术,该技术是由RFID技术衍化得来,相较于RFID只能够单向接收,而NFC具备收发功能。全
17、球的消费者或终端用户每天都在使用近场通信(NFC)技术,他们的智能手机如果支持NFC,可以共享图片、播放音乐、支付、访问认证信息等等。NFC能将消费者连接到一个便利、信息、强化体验和新智能的世界。NFC技术的实现者和开发者包括芯片、标签、终端、设备制造商、应用程序提供商等等。开发人员通常在创建支持NFC的产品或解决方案时遵守NFC技术和认证规范。到现在,NFC技术拥有130多个成员组织,是世界领先的近距离通信标准和倡导协会技术。会员级别包括;发起人、负责人、合伙人、实施者和非营利组织。射频场空中接口NFC标签NFC终端应用服务器图2.2 NFC系统组成NFC系统一般由三个部分组成,如图2.2所
18、示,分别为用于存放数据的NFC电子标签,通常简称为“标签”;NFC系统核心(NFC终端),简称为“终端”;为NFC终端提供后台服务的服务器。基于终端具备的三种功能与模式:卡模式,NFC模式(点对点模式),读卡器模式Error! Reference source not found.。三种功能介绍如下:第一种卡模式,该模式就是将具有NFC功能的设备模拟成一张非接触式的卡片,如门禁卡、银行卡等。卡模式主要进行非接触移动支付应用中,用户只要将手机靠近读卡器,输入密码后,就可以完成交易。在这种方式下,卡片通过非接触读卡器的RF域来供电,NFC设备即使没电也可以进行工作。在Android4.4版本发布后
19、,可以支持Host Card Emulation(HCE)的方式,可以提供手机软件模拟卡的功能来实现卡模式,这项功能被应用在本设计中。第二种NFC模式,又称为点对点模式,当两个具备NFC功能的设备连接,实现点对点的数据传输。基于该模式下,智能手机间可以进行无线非接触式数据传输,在该模式下可以经过NFC的协助快速建立蓝牙连接,进行信息传输。第三种读卡器模式,则做为非接触式读卡器使用,NFC终端建立射频场,读取射频场中的标签信息,根据标签中的信息做相关处理,如需要可以通过无线网络将数据上传至相关服务器。2.3 NFC手机带有NFC功能的智能手机内置了NFC芯片,本设计就以HTC M8ST型号的手机
20、为例,该型号符合“全功能NFC”标准,可以进行本设计要求的NFC相关功能的实现与测试。NFC手机可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路,通过NFC手机,可以实现数据传输。Android系统做为一种常见的智能手机系统,系统至今已经发布了Android9.0版本,对NFC开发功能有着良好的环境与支持,根据Google官方文档介绍,具有NFC的安卓设备同时支持上述三种主要的操作方式Error! Reference source not found.。从Android系统4.0发布以来,就具备了对NFC功能的支持,并且具备例程对读取和写入标签进行指引与通用支持。到如今,
21、NFC功能的具备与否,体现了手机的中高端之分,高端品牌的手机基本具备NFC功能,并且从2018年开始,带有NFC功能的智能手机都符合三种应用需求,既可以模拟公交卡乘车,也可以虚拟成一张银行卡或者门禁卡,这样很好地完加大了NFC在日常中的使用面,也让NFC、功能进一步快速普及。因此,本设计基于具有标准功能的NFC手机HTCM8ST进行设计与测试,手机2014年产于中国台湾省,系统版本为Android5.0,具备典型安卓智能手机特征,所以在该手机开发软件具备较好的拓展性与兼容性。在Android SDK API的开发手册中,描述了NFC的标准称为NFC Data Exchange Format,支
22、持了三种数据的处理和操作:NEDF的读取、写入和向另一个外部NFC设备的发送。在NFC手机设备建立连接的过程中,NFC手机之间或NFC设备和标签之间会在100毫秒内建立连接,而数据则会默认从发送端发送至接收端,也可以理解为从被读取端发送至读取端,由于NFC标签和NFC设备的差异,所以存在上述的差别。在接收数据的那一端,会根据接收数据的格式来判断需要调用的行为,在开发手册中称这种行为Activity。如图2.3所示的行为,都需要对意图过滤器(Intent Filter)进行定义,而意图过滤器是对一个将要执行操作的一种抽象描述,根据意图过滤机制的不同,可以分为三个级别,分别是只过滤固定NDEF数据
23、格式的NDEF_DISCOVERED过滤,可以进行纯文本、http、smb等指定协议的过滤;第二种机制做为第一种的补偿,即当NDEF_DISCOVERED的过滤机制无法对目标进行匹配时,就会引入第二种机制:TECH_DISCOVERED,该机制很好地对支持Tag数据存储的格式进行匹配,相较于第一种NDEF_DISCOVERED机制有了更大的匹配范围;第三种机制称为TAG_DISCOVERED,第三种机制做为前两者的补偿,理论上有了更大的匹配范围,实际上在前两种匹配失败后,将会自动调用第三种TAG_DISCOVERED来进行匹配,可以理解为在前两种机制都不包含的区间,第三种机制将剩余的区间都包含
24、在内。通过这种方法,三种过滤机制几乎将所有的Tag都包括在内,但不可避免地会存在三种意图过滤器都无法匹配的Tag存在,此时将会再次进行匹配的循环,直到匹配成功。NDEF格式标签NDEF_DISCOVEREDActivity是否注册了NDEF_DISCOVERED是非NDEF格式标签TECH_DISCOVEREDActivity是否注册了TECH_DISCOVERED发送NFC相关的Intent到Activity中TAG_DISCOVERED否否Activity是否注册了TECH_DISCOVERED否是是图2.3 处理流程图所以,当一个具有NEDF格式标签的数据传入时,机制NDEF_DISCO
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