2022年基于ZigBee技术的无线考勤系统设计v.docx

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1、精品学习资源基于 ZigBee 技术的无线考勤系统设计作者姓名：郭帅指导老师：金中朝摘要： 系统基于 ZigBee 个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分别，具有组网便利，安装拆卸简洁， 扩容性好，无需布线等特点， 可以削减因线路故障带来的缺失和不便， 提高了系统的稳固性和牢靠性；并完成了 ZigBee 网络的搭建与优化，嵌入式数据库 Sqlite 的移植以及嵌入式 QT 的开发等；关键字： ZigBee, 射频卡考勤，嵌入式网关1 绪论随着信息化时代的到来， 我们生活的各方面都和信息化息息相关；社会的治理和资金的流通也已经进入信息化的革命；非接触IC 卡 “一卡通 ”便是信息化革

2、命的产物之一；本系统设计的目的是为了实现考勤数据采集、数据统计和信息查询过程的无线化和自动化；便利用户对考勤数据的储存和导出；ZigBee 是进入 21 世纪后来显现的一种新型无线通信技术，该协议具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的特点，在智能家居、智能楼宇自动化、工业智能监等控领域具有特别宽广的市场空间；随着多家芯片制造商推出支持ZigBee协议的片上系统解决方案，越来越多的无线掌握系统采纳ZigBee 技术；系统基于 ZigBee 个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分别，与目前广泛使用的有线考勤系统相比，具有组网便利，安装拆卸简洁，扩容性好，无需布线等特点，可

3、以削减因线路故障带来的缺失和不便，提高了系统的稳固性和牢靠性；本文第一介绍了系统的总体拓扑结构，然后具体阐述了刷卡设备和网关设备的硬件设计和软件开发过程，其中包括刷卡驱动电路设计，ZigBee 协议栈应用程序设计， QT 应用软件设计， Sqlite 数据库移植方法等；欢迎下载精品学习资源2 系统总体结构本系统主要有IC 卡读写模块，发射接收模块和嵌入式系统主机组成；系统总体结构如图刷卡设备由德州仪器CC2530 系统板和 RC522 读写模块组成，系统主机由三星无线收发系统组成； 当符合读卡协议的IC 卡片进入刷卡范畴， 刷卡设备会将6410 开发板和IC 卡片的编号通过网络发往嵌入式网关；

4、主机基于Linux3.0内核和飞凌嵌入式技术有限公司供应的文件系统以及1 所示；CC2530ZigBee QT4.8运行环境，开发了ZigBee 网关程序，能够监听ZigBee 和谐器的串口并且能够储存数据到本地数据库；ZigBee 刷卡模块ZigBee 刷卡模块ZigBee 网络ZigBee 和谐器嵌入式网关系统主机ZigBee 刷卡模块图 1ZigBee 无线考勤系统成效图欢迎下载精品学习资源2. ZigBee 协议栈简介2.1 ZigBee 协议栈描述ZigBee 协议是一系列的通信标准，通信双方需要共同根据这一标准进行正常的数据发射和接收；协议栈是协议的具体实现形式；协议栈是协议和用户

5、之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的，进而实现无线数据收发；图 2 展现了 ZigBee 无线网络协议层的架构图；ZigBee 的协议分为两部分， IEEE 802.15.4 定义了物理层和介质拜访层技术规范，ZigBee 联盟定义了网络层、应用程序支持子层、应用层技术规范；ZigBee 协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户供应API 应用层 ，用户可以直接调用；应用对象（ Application Object ）应用层（ APL）ZigBee 设备对象（ ZigBee Device Object ）应用程序支持子层（ Application

6、Support SublayerZigBee 标准定义）ZigBee无线网络网络层（ NWK）媒体拜访掌握层（ MAC）物理层（ PHY）IEEE 802.15.4标准定义无线收发图 2 ZigBee 协议栈层次2.2 协议栈结构ZigBee 协议栈是由一组称为层模块的结构来构成；下一层将为上层执行特定的一组服务；数据单位供应数据传输服务，治理单位供应全部其他服务；各个业务实体通过服务接入点（SAP）为上层供应一个接口，每个服务接入点支持多个服务原语来实现要求的功能；IEEE 802.15.4-2003 标准定义了物理层（ PHY ）和媒体拜访掌握子层（MAC ）两个网络底层；基于物理层和媒体

7、拜访掌握子层， ZigBee 联盟开发了网络层和应用层体系结构；其中，应用支持子层 （ APS）、ZigBee设备对象（ ZDO ）组成了应用层框架；应用对象使用架构层以及APS 共享和安全服务，就有不同芯片制造商来定义；IEEE 802.15.4-2003 标准有两个物理层，运行在868 / 915 MHz 和 2.4GHz 两个不同的频率范畴；由于每个国家开放给科学和工业的ISM 频段标准不同，所以低频率物理层包括欧洲使用的868MHZ频段欢迎下载精品学习资源以及美国和澳大利亚等国家使用915 MH 频段；而世界上大多数国家的使用的是2.4GHz 频段的物理层；IEEE 802.15.4-

8、2003 MAC子层使用 CSMA-CA协议机制来掌握无线信道拜访；CSMA-CA协议即载波监听多路拜访冲突检测方法；2.3 ZigBee 网络拓扑ZigBee 网络层支持星型，树撞和网状的网络拓扑结构；在星型拓扑结构中，掌握网络的设备称为ZigBee 和谐器； ZigBee 和谐器负责 ZigBee 网络备启动和网络设备的保护，其他的设备， 称为终端设备， 直接与 ZigBee 和谐器进行通信；在树状和网状网络拓扑结构中，ZigBee 和谐器负责发起 ZigBee 网络，挑选网络中的一些关键参数，但网络可以通过ZigBee 路由器进行扩展；树型网络中，路由器使用一个分层路由策略传输数据和掌握

9、信息在网络中；树型网络可以使用IEEE 802.15.4-2003 标准化通信信标；网状网络答应完全的点对点通信；在网状网络拓扑中， ZigBee 路由器将不定期发布的IEEE 802.15.4-2003信标；欢迎下载精品学习资源星型网络树状网络网状网络和谐器FFD RFD欢迎下载精品学习资源图 3 网络拓扑ZigBee 网络是一个简洁的、低成本的通信网络，它应用于一些功率有限和对网络吞吐量无严格要求的设备之间的无线连接； ZigBee 网络的目标是建立一个易于安装、有牢靠的数据传输、通信距离短、成本低、特别好的电池寿命这样的一个网络，并且它能保持简洁的和敏捷的网络协议；ZigBee 网络中含

10、有两个不同的设备，全功能设备（ FFD）和简洁功能设备（ RFD ）； FFD 在三种网络模式中可作为整个 PAN 网络的和谐器、路由器或网络中的终端设备； FFD 可以和 RFD 或者 FFD 通信， 而简洁功能设备（ RFD ）只能和 FFD 通信； RFD 设备在网络中主要是一个应用设备，它们箱单简洁，比如它们可以作为灯的开关或者红外线传感器，但不能传输大规模的数据，且在某一时刻只能和一个FFD 相联系；一个 ZigBee 网络由几个部分组成；最基本的部分是设备，设备既可以是FFD，也可以是 RFD ；假如两个和更多的设备在一个个人通信空间（POS）范畴内，且在同一信道通信，那么这些设备

11、就组成一个 WPAN ；但网络中必需含一个FFD 设备作为 PAN 和谐器；对于无线多媒体来说， 由于传播的动态性和不确定性， 一个精确的掩盖区域是不存在的； 位置和方向的微笑变化，都可能引起信号强度和通信链路的急剧变化； 不管静态设备或移动设备都可能显现这种结果；欢迎下载精品学习资源3. ZigBee 刷卡设备ZigBee 刷卡设备由式 IC 卡读写模块采纳CC2530 系统板外接RC522 读写模块组成，实物图如图Philips MFRC522芯片设计，能够读取符合ISO14443A4 所示； RC522 非接触标准的多张卡片 ,使用方便，成本低廉； CC2530 通过 SPI 接口直接驱

12、动读写模块；欢迎下载精品学习资源3.1 采集节点主控芯片图 4ZigBee 刷卡设备欢迎下载精品学习资源节点主控芯片使用的CC2530 是由德州仪器公司提出的用于ZigBee 应用的片上系统解决方案；CC2530 系统核心板的电路原理图如图5 所示； CC2530 片上系统能够广泛解决的2.4GHz 应用方案； 这些应用场景能够快速的通过TI供应的 Z-Stack 协议栈找到合适的解决方案，从而加快开发进程；同时CC2530 片上系统是一具有增强型工业标准8051 单片机，并集成了无线收发功能；CC2530 片上系统具有特别低的待机功耗，在一般干电池的驱动下能够稳固工作半年以上；CC2530

13、工作电压为 3.0V 到 3.6V ，待机电流最低值为1 微安；具有丰富的片内外设，包括5 通道DMA ，红外发生电路， 8 路 12 位 ADC ，硬件支持 CSMA/CA ， AES安全协处理器，电池监视器和温 度传感器，具有捕捉功能的32-kHz睡眠定时器以及 2 个 usart（通用同步异步串行发送接收器）等；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源3.2 非接触式 IC 卡工作原理图 5ZigBee 核心板原理图欢迎下载精品学习资源非接触式 IC 卡电气部分组仅为一个天线和集成电路卡（ASIC ）；卡的天线由适用于包装ISO 卡的几个绕组线圈构成； 集成电路卡是由高速 （ 106kb

14、 波特率）的射频接口， 一个掌握单元和一个8K EEPROM（电可擦可编程只读储备器-）；非接触式 IC 卡的工作原理为，RC522 射频卡读写模块回发一组固定频率的电磁信号，而卡片内具有一个频率与RC522 读写模块相同频率的串联谐振电路，在电磁信号的激发下， LC 谐振电路将会产生共振，从而使电容内储备了电荷，而电容器的另一极，连接有一个单向导通的电子泵，会将充电电容器的电荷送到另一个电容器储存，当所积存的电荷达到2V ，电容器将作为电源为卡片其他电路供应工作电流，将发出卡片内数据或读入RC522 模块数据；欢迎下载精品学习资源3.3ZigBee 节点程序上电后 CC2530 主控芯片初始

15、化 RC522 模块，当有符合 ISO 14443A/MI标准的卡片进入读写范畴时，RC522 模块通过 SPI 协议把数据传递给CC2530 主控芯片， 主控芯片把接收到的数据打包发送到和谐器；程序流程图如图6 所示；初始化设备N是否已加入网络Y是否有卡片进入读取卡片数据发往系统主机图 6 ZigBee 节点程序流程图欢迎下载精品学习资源4.系统主机设备设计与实现主机设备由三星 6410 开发板和 CC2530 系统板组成，如图7 所示； S3C6410 开发板和 CC2530 系统板通过串口进行通信，当CC2530 建立起传感网络后，刷卡节点会自动加入网络；网关基于Linux3.0内核和飞

16、凌嵌入式技术有限公司供应的文件系统以及QT4.8 运行环境，开发了ZigBee 网关程序，能够监听 ZigBee 和谐器的串口并且能够读写远程或本地数据库；下文将具体介绍主机设备的开发过程，包含 sqlite 数据库移植和嵌入式QT 的环境搭建与开发；图 7ZigBee 刷卡考勤网关设备4.1 Sqlite 数据库移植4.1.1 Sqlite 数据库移植过程SQLite 是遵守 ACID 的，能够实现自包涵、零配置、支持实物的、开源的关系型数据库治理系统， 它包含在一个相对其他数据库特别小的的C 语言库中；其特点是高度便携、使用便利、结构紧凑、高效、牢靠； SQLite 是 D.Richard

17、Hipp建立的公有领域项目；与其他数据库治理系统不同，SQLite 不是常见的客户端到服务器模式，SQLite 引擎也不是程序与之通信的独立进程，而是连接到程序中成为程序的一个主要部分；所以，SQLite 主要的通信协议是在编程语言内通过直接调用接口函数来实现；这一方法在消耗总量、推迟时间和整体简洁性上有积极的作用；整个数据库，包括数据库的定义、表、索 引和数据本身，都在宿主主机上储备在一个单一的文件中；SQLite 是一款微型嵌入式数据库，目前已经有很多嵌入式产品使用了SQLite 数据库引擎； SQLite具有占用资源特别的低的有点，在嵌入式系统中可能只需要几百K 的内存就够了；移植步骤如

18、下：1、下载 sqlite3 源代码、解压下载地址为 http:/www.sqlite.org/sqlite-src-3070900.zip2. 配置 SQLite在 sqlite 目录下进行如下配置：./configure -prefix=/QT/sqlite3 -disable-tcl -host=arm-none-linux-gnueabi3. 编译在 Shell 环境下使用 make 命令编译；3. 安装欢迎下载精品学习资源在 Shell 环境下使用 make install 命令安装；该命令运行后， 会将编译好的结果安装到sqlite-arm 文件夹下， 在安装目录下会生成bin 、

19、lib 、include文件夹， bin 文件夹下是 sqlite3 可执行文件， lib 文件夹下包含 sqlite3 运行所依靠的库；另外，在编译包含 sqlite 数据库的应用程序时，必需指明sqlite 所依靠的头文件和库；4. 去掉调试信息SQLite 完成编译后，会产生很多调试信息；假如把编译见过全部下载到开发板，会占用目标板很多资源；为了削减占用目标板Flash 和其他资源，可以通过命令来去掉调试信息；在SQLite 安装目录下执行如下命令：arm-linux-strip bin/* arm-linux-strip lib/*5. 移植命令执行后，会去掉编译结果的调试信息，文件大

20、小减小很多；将SQLite 安装目录下 /bin 文件夹下的文件 sqlite3 拷贝到根文件系目录下， 并将 sqlite_arm/lib 目录下的文件拷贝到目标板根文件系统的lib 目录下；完成 SQLite 移植工作；4.1.2. SQLite 的基本操作命令（ 1）建立数据库sqlite3 gstest.sqlite3命令运行后，在当前目录下建立了名为gstest.sqlite3 的数据库；（ 2）建立数据表create table call_echo id INTEGER PRIMARY KEY, name NUMERIC,num NUMERIC,time TEXT,count NU

21、MERIC,charge_rate NUMERIC,charge_sum NUMERIC;建立了名为 call_echo 的数据表，包含 id,name,time,count,charge_sum,charge_rate 七个字段；（ 3）向数据表中插入数据insert into call_echo values $n,guoshuai,2,new,4,5,6;（ 4）查询数据表中的数据select * from call_echo;（ 5）修改 call_echo 表中的数据update call_echo set id=99 where id=88;（ 6）删除表中的数据记录delete

22、from call_echo where id=99;（ 7） SQLite 中的其它常常用到的命令.tables 列出全部的数据库中的数据表.schema tablename 列出指定数据表的结构.quit离开数据库4.1.3 SQLite 编程介绍Sqlite 数据库供应了多种编程语言连接的库，如PHP，C/C+ ，JAVA 等；下面简洁介绍如何通过C语言编程，实现数据库的创建，以及数据库的各种操作，如表的插入、查询、删除等；（ 1）打开数据库由 sqlite3_open 函数完成，原型如下： nt sqlite3_openconst char* filename,sqlite3*ppdb

23、;第一个函数形参用来指定数据库文件名；其次个函数形参是一个SQLite 数据库指针，假如数据库打开胜利就返回 0,否就返回一个出错代码；（ 2）关闭数据库由 sqlite3_clos 函数完成，原型如下：欢迎下载精品学习资源int sqlite3_closesqlite3*;传递的参数是SQLite 数据库指针，用来关闭指定名称的数据库，操作胜利是返回0，否就返回一个出错编号；（ 3）数据库出错信息由函数完成，原型如下：int sqlite3_errcodesqlite3*db;const char* sqlite3_errmsgsqlite3* db; const char* sqlite3

24、_errmsg16sqlite3* db;上面的函数都是返回出错信息的，第一个函数返回的是最近调用数据库接口的错误代码；其次个和第三个函数， 是返回最近调用数据库接口的错误信息；其次个函数返回的错误信息是用UTF 8 编码的；第三个函数返回的错误信息是用UTF 16 编码的；（ 4）数据库 SQL 语句由 sqlite3_exec 函数完成，原型如下：int sqlite3_execsqlite3*,const char*sql,int*callbackvoid*,int,char*,char*,void*,*errmsg;这个函数是用来执行SQLite 数据库的 SQL 语句的；第一个参数是

25、SQLite 数据库指针；其次个参数是要执行的 SQL 语句字符串；第三个参数是一个回调函数，在执行查询操作时用到，其它的操作可以传空值即 NULL ；第四个参数是传递给回调函数第一个参数的实参；第五个参数是一个错误信息；（ 5）数据库操作的回调由callback 函数完成，原型如下：int callbackvoid*,int argc,char* argv,char* cname;第一个参数是从 sqlite3_exec 传递过来的参数，可以为任意的类型；其次个参数是查询的列数；第三个参数是查询结果集的值；第四个参数是列名；（ 6）数据库的有特地的查询函数sqlite3_get_table

26、，原型如下：int sqlite3_get_tablesqlite3*db,const char* sql,char*result,int *row,int*col,char* errmsg;这个函数主要是用来查询的；第一个参数是数据库描述符指针；其次个参数是 SQL 语句；第三个参数是查询的结果集； 第四个参数是结果集中的行数； 第五个参数是结果集中的列数； 第六个参数是错误信息；它查询出的行数是从字段名开头的；即第 0 行是字段名；（ 7） SQLite 有很多内置函数用于处理字符串或数字数据；下面列出了一些有用的 SQLite 内置函数，如表 1，且全部函数都是大小写不敏锐，所以可以使用

27、这些函数的小写形式或大写形式或混合形式；表 1 SQLite 常用字符串处理函数序号函数 & 描述SQLite COUNT函数1SQLite COUNT函数是用来运算一个指定数据库表中的行数；SQLite MAX函数2SQLite MAX函数是答应我们挑选数据库表中某列的最大值；SQLite MIN函数3SQLite MIN函数是答应我们挑选数据库表中某列的最小值；SQLite AVG函数4SQLite AVG函数是运算数据库表中某列的平均值；SQLite SUM函数5SQLite SUM函数是答应为一个数值列运算总和；6 SQLite RANDOM函数SQLite RANDOM函数返回一个指

28、定范畴的伪随机整数；7 SQLite ABS函数欢迎下载精品学习资源SQLite ABS函数功能是返回数值参数的肯定值；8910SQLite UPPER函数SQLite UPPER函数功能是把指定字符串转换为大写字母；SQLite LOWER函数SQLite LOWER函数功能是把字符串转换为小写字母；SQLite LENGTH函数SQLite LENGTH函数功能是返回指定字符串的长度；11SQLite sqlite_version函数SQLite sqlite_version函数返回当前SQLite库的版本；4.2 QT 开发环境搭建和移植4.2.1 QT 概述Qt 是 1991 年由奇趣

29、科技开发的跨平台C+ 图形用户界面应用程序开发框架；它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI 程序，比如掌握台工具和服务器；Qt 是面对对象语言，易于扩展，并且允许组件编程； 2021 年，奇趣科技被诺基亚公司收购，QT 也因此成为诺基亚旗下的编程语言工具；现今，Qt 库已经能够支持 windows 、linux 、MAC 、embedded Linux 、Windows CE 等多种平台；4.2.2 嵌入式 QT 开发平台搭建正式进入 QT 开发流程之前， 需要进行一系列的QT 环境搭建工作， Qt 环境搭建流程如图4 所示；由图 8 知， QT 平台搭建的最终目标包括：在 PC 机上安

30、装Qt 的集成开发环境，用于开发调试时使用；在 PC 机上安装好交叉编译版本的QT 编译环境，用于QT 程序调试完毕后的交叉编译、移植时使用；在 ARM 网关上移植QT 库，用于支持移植好的QT 程序运行；欢迎下载精品学习资源开头下载 QtSdk-linux-x86下载 Qt Librariesfor EmbeddedLinux搭建 arm-linux交叉编译环境交叉编译 Qtlibraries for embedded Linux安装QtSdk 至PC机上安装交叉编译版本QT编译环境至 PC机移植 Qtlibraries至ARM网关QT开发环境搭建工作终止图 8 嵌入式 QT 开发平台搭建流

31、程欢迎下载精品学习资源4.2.3.QT 程序交叉编译流程完整的嵌入式Qt 应用程序从开发到能够应用的流程如图9 所示；交叉编译，简洁地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码；这里所谓平台， 实际上包含两个概念： 体系结（Architecture ）、操作系统（ Operating System ）；同一个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行；本文所用的交叉编译方法，即为在我们常说的Intel x86 体系结构的 linux操作系统中编译生成可以在ARM 体系结构中运行的代码；开头得到 ARM格式可执行文件基于 PC上的 QtSDK做 Qt

32、程序的开发、调试移植到 ARM网关得到 Qt应用程序源码QT程序运行Qt 应用程序交叉编译终止图 9 嵌入式 Qt 应用程序开发流程4.2.4 QT 编程在 QT 中没有特定的串口掌握类，而系统主机和ZigBee 网络的和谐器通过UART 连接，所以采纳第三方串口掌握类qextserialport 进行开发；程序流程为如图8 所示，网关上电后，对设备进行初始化， 然后开头监听 ZigBee 串口，当有刷卡节点的数据传递进来，判定数据是否合法，假如不合法就丢弃，反之就对有效数据进行格式化处理，写入数据库；软件运行成效图如图10 所示；欢迎下载精品学习资源初始化设备初始化串口监听串口N是否有合法数

33、据Y数据格式化处理写入数据库图 10 嵌入式网关程序流程图和运行成效图5. 总结本系统在传统 IC 卡考勤系统的基础上， 将 ZigBee 无线通信技术引入到考勤系统中，提出基于 ZigBee无线通信技术的嵌入式考勤系统的设计方案；给出了其硬件系统组成和软件设计流程；该系统主要有IC 卡读写模块，发射接收模块和嵌入式系统主机组成，实现了低成本、低功耗，能够实际应用于员工考勤系统；欢迎下载精品学习资源致 谢第一感谢我的指导老师金中朝讲师，他的严谨负责的治学态度，一丝不苟的工作作风对我产生很大的影响；始终是我工作、学习中的榜样；在金中朝老师教诲下，我在学校已经踏入了嵌入式开发领域，接触了实际项目开

34、发，对我将来的学习和工作打下了良好基础；承蒙金老师亲切的关怀和细心的指导，特殊是给我供应了创新学习的环境和平台，让我接触了很多新兴技术，使我获益匪浅；仍要感谢我的父母家人；时间如白驹过隙，回想童年生活，似乎就在昨日，只是蓦然回首时，才发觉曾经依靠的肩膀已经变得孱弱；感谢他们， 让我总是能够在脆弱的时候重新变得顽强，让我在最失意的时候也能够找回自信，让我在迷茫彷徨时，也始终找得到人生的方向；参考文献1 IEEE802.15.4, ZigBeeS.2 黄河.基于 ARM 的嵌入式无线 ZigBee 网关的设计与实现 D. 上海高校 , 2007.3 李建坡 朱绪宁 隋吉生 . 基于 ZigBee

35、技术的无线指纹考勤系统J. 东北电力高校学报 , 2021, 296.4 Blanchette J. C+ GUI Qt 4 编程M.电子工业出版社 , 2021.5 蒋挺, 赵成林 . 紫蜂技术及其应用M.北京邮电高校出版社, 2006.6 韦东山 . 嵌入式 Linux 应用开发完全手册 M. 人民邮电出版社 ,2021.7 金纯, 罗祖秋 . ZigBee 技术基础及案例分析 M.国防工业出版社 , 2021.Design of wireless attendance system based on ZigBee TechnologyAbstract ： System based on

36、ZigBee network protocol and embedded system, the card equipment and attendance statistics system separation, network construction isconvenient, easy to install and disassemble, expansion is good, without wiring,can reduce the fault line loss and inconvenience, improve the reliability and stability of the system. And completed the construction and optimization of ZigBee network, embedded database Sqlite transplant and embedded QT development.Keywords ： ZigBee,RF card attendance, embedded gateway欢迎下载