智能环境检测指纹考勤系统设计

摘要

　　基于嵌入式 Linux 的考勤系统研究与设计人事考勤一直以来都是各种企事业单位实现员工管理以及绩效评价的重要环节，一个优异的人事考勤系统对于提高企事业单位的员工管理效率、端正员工的工作态度等方面有着巨大的帮助。本课题的目的就是实现一个优秀的人事考勤系统，通过它来提高员工管理效率、为绩效评价提供依据，同时给如何实现科学高效的管理制度提供参考和借鉴。

　　本课题实现了一个基于嵌入式 Linux 的考勤系统，对人员进行人事考勤管理，同时对温度、湿度等环境状况进行感知监测。采用嵌入式 Linux 是出于专用性和性价比方面的考虑，人事考勤是本系统的核心功能，对温度、湿度等环境状况的感知是为了满足在需求分析时用户提出的特殊要求。

　　此考勤系统在实现的过程中涉及到了指纹识别技术、传感器技术、嵌入式技术、网络通信技术、数据库技术、人机界面 UI 交互技术等相关技术。我们通过指纹识别技术进行身份认证和识别，通过传感器技术监测温度、湿度、可燃气体浓度等环境状况，基于嵌入式设备进行开发，通过局域网发布考勤统计信息，使用数据库记录出勤信息，通过人机界面技术与用户进行交互。

　　在系统架构设计的时候，我们通过需求分析进一步确认具体需求，得到了系统数据流图。然后根据数据流图，进行了自顶向下的设计，把系统分成了感知模块、指纹识别考勤模块、通讯模块、打印模块以及系统支持 5 大模块。感知模块实现环境监测，指纹识别考勤模块、通讯模块以及打印模块主要服务于人事考勤，系统支持则是对其他模块以及整个系统的运行提供支持与维护。完成功能设计之后进行了数据库设计，选用SQLite 作为系统的数据库，设计了人员信息表、指纹信息表、签到信息表、管理员信息表四个表以及他们的约束。

　　系统的硬件环境包括嵌入式系统教学科研平台 UP-CUP S2440、PC 上位机、EMBA500-FMF 系列电容式指纹模块、传感器扩展板以及微型打印机等设备。嵌入式系统教学科研平台通过串口 0 和 PC 上位机相连，通过 USB 接口和指纹模块相连，通过串口 1和微型打印机相连，通过插槽和传感器扩展板相连，另外通过网线联入局域网，可以与PC 上位机和局域网内的其他机器进行网络通讯与交互。

　　在系统软件详细设计与实现的过程中，我们通过 PC 上位机编写代码，进行交叉编译生成目标程序，然后移植到嵌入式平台上运行与调试。有一些功能分别在嵌入式平台和 PC 上位机上进行了实现。对嵌入式 Web 服务器的功能进行了裁剪，使之只应用于信息发布。

　　考勤系统的测试包括单元测试和综合测试，主要采用白盒测试与黑盒测试相结合的方法进行测试，并通过调试修正测试过程中发现的问题和错误。

　　本课题实现的考勤系统，对于企事业单位具有很大的实用价值，同时此系统从设计到实现的完整过程也为其他管理系统的实现提供了参考和借鉴。

　　关键词：考勤系统，嵌入式 Linux，指纹识别，身份认证，传感器，交叉编译，嵌入式 Web服务器

Abstract

　　Personnel attendance has always been an important part of implementing the employee management and performance evaluation by various enterprises and institutions. An excellent staff attendance system has a tremendous help to enhance the efficiency of the staff management and straight the staff’s working attitude by enterprises and institutions. The purpose of this project is to implement an excellent staff attendance system. We can enhance the efficiency of the staff management and provide the basis for the performance evaluation via the system. However, the project also provides a reference to how to implement a scientific and efficient management system.

　　The project implements an attendance system based on embedded Linux. It can manage the attendance of staff and monitoring temperature, humidity and other environmental conditions in the same time. The reasons of using embedded Linux is to guarantee specificity and cost-effective. The attendance management is the core function of this system. To monitoring temperature, humidity and other environmental conditions in order to satisfy the special requirement by customers when requirements analysis.

　　This attendance system relates to the fingerprint recognition technology, sensor technology, embedded technology, network communication technology, database technology, human-machine interface UI interaction technology and other related technologies. We implement authentication and identification via fingerprint recognition technology, implement motoring temperature, humidity, and other environmental conditions via sensor technology, develop system based on embedded devices, publish attendance statistics via local area network, record attendance information by a database, interact with the customers via human-machine interface technology.

　　In the system architecture design, we further confirmed specific requirements by requirements analysis and then get the system data flow diagram. Then according to the data flow diagram the top-down design, we divide the system into the perception module, fingerprint attendance module, communication module, print module, and system support those 5 big modules. Perception module implements the environmental monitoring. Fingerprint attendance module, communication module and the print module mainly services in personnel attendance. System support is to provide support and maintenance to other modules and the whole system. After complete the functional design, we design the database. We decided to use a SQLite database and design staff information table, fingerprint information table, attendance information form, the administrator information table those four tables with their constraints.

　　System hardware environment consists of an UP-CUP S2440 teaching and research platform for embedded systems, a PC host computer, an EMBA500-FMF Series capacitive fingerprint module, a sensor expansion board and a mini printer and other equipment. The embedded platform is connected to the PC host computer via the serial port 0, is connected to the fingerprint module via USB interface, is connected to the mini printer via the serial port 1, is connected to the sensor expansion board via slot. In addition, the embedded platform is connected to LAN, and it can connect to PC host computer and other machines via LAN. In the detailed design and implementation of the system software, we write and cross-compile the code via the PC host computer, and then port the target code to embedded platform to run and debug. Some functions are implemented in the embedded platform and the PC host computer. We cut the function of embedded Web server, and it can just publish information.

　　Our tests consist of unit testing and integration testing, and we use white box and black box testing method to test. After that, we fix the problems and errors found by tests via debug.The attendance system that the project implemented has great practical value to enterprises and institutions. And the process of this system implementing provides reference to other management system.

　　Keywords:Attendance system, Embedded Linux, fingerprint identification, Authentication, Sensor,Cross compiling, Embedded web server

　　考勤制度一直以来都是各种企事业单位用于管理员工、员工绩效评价不可或缺的制度，一款优异的考勤系统在提高企事业单位的管理效率，提高员工的工作效率，端正员工工作态度方面有着显着的效果。高校作为一个特殊的单位，对老师、学生的各项考勤工作都有着很高的要求。传统的考勤方式都是靠人工用纸质签名等方式进行。因为人工因素较大，效率比较低下，不能满足高校教室、实验室的特殊环境要求，考勤结果也不便于统计与日常管理。随着科技的发展，各种智能打卡式的考勤系统层出不穷，这种考勤方式解决了传统纸质考勤在管理上的不便，但也存在着诸多问题，比如签到人员智能卡的遗失，他人替代打卡等等[1 ]。基于以上原因，一款使用于高校教室、实验室的考勤系统是本文的研究重点。

　　指纹是每个人的手指表面因为凹凸不平而产生的纹路，现代研究意见表明每个人的指纹都是与他人不同并且具有终身不变性的。随着科技的发展与进步，利用指纹这样一种每个人特有的身体特征进行个人的考勤签到是一种越来越成熟可靠的技术手段，被广泛用于各个领域[2]。在高校的实验室和教室引入指纹考勤系统是一种方便快捷并且可靠的方式。这样可以有效提高考勤效率，便于信息的统计和管理，并且可以有效防止他人替签等传统考勤系统存在的各种问题。

　　因为指纹相对于每个人的特殊性和便于获取的特性，国内外各种针对指纹识别的研究越来越受到人们的关注。

　　国外研究机构对于指纹的研究相对国内来说开展时间较长，也更为成熟，很多大型公司比如微软，IBM，英特尔，三星都有专门针对指纹研究的部门，国外的麻省理工，哈佛，剑桥等知名院校也有专门的研究指纹等生物识别技术的实验室[3]。从技术上而言，对指纹的图像获取与分析，不同指纹间的比对等技术已经相对比较成熟，已经有了非常高效的针对指纹图像提取和比对的算法，而且这些算法也已经可以熟练的应用在各种门禁考勤系统上。相对于其他的考勤方式而言，指纹所具有的唯一性和可靠性在安全系数上是其他的考勤方式无法比拟的，指纹识别因为其实用性强的特点已经广泛运用在身份的验证、识别、授权等各种场合。国外的考勤系统发展已较为完善，各种考勤验证系统也趋于人性化的发展，有非常友好的用户交互界面以及语音提示等功能。

　　国内的指纹研究始于上世纪 90 年代后期，经过十几年的发展，我国的指纹识别技术也得到了很大的提高。各大高校与企业之间合作，通过引进技术或自主开发，也已培养出了一大批专业科研人才并有了很多自主专利技术。现在国内市场上也出现了很多开发生产指纹门禁或其他生物识别系统的公司，但相对国外成熟的公司来说，如何设计实现更优化高效的算法，如何将指纹识别与小型嵌入式系统相联系，减少系统实现代价，提升整体质量等方面还需进一步提高。

　　随着现代社会的发展，各个社会团体愈发成熟和严密，各事业单位在考勤管理上对更高效可靠等方面就有了更大的追求，指纹识别面临着巨大的市场机遇，指纹考勤系统也有着广阔的市场前景[4]。

　　针对当前高校教室、实验室现有纸质考勤或打卡式考勤系统所存在的问题，设计出一款适合于高校教室、实验室环境的考勤系统是本文的研究重点。

　　本文拟开发出一款基于嵌入式 Linux 的考勤系统用于高校教室、实验室的考勤。该系统采用指纹识别的考勤方式，可以与 Web 服务器通信，考勤结果可以随时登录进行查询，并且具有对室内环境监测，打印考勤结果等功能。

　　智能环境检测指纹考勤系统界面演示：

系统管理登录界面

系统管理面板

上位机客户端操作面板

指纹信息查询

考勤统计报表

目 录

　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 研究现状与发展趋势
　　　　1.3 论文研究内容与组织结构
　　第 2 章 相关技术基础
　　　　2.1 指纹识别技术
　　　　2.2 传感器技术
　　　　2.3 嵌入式技术
　　　　2.4 网络通信技术
　　　　2.5 数据库技术
　　　　2.6 人机界面 UI 交互技术
　　第 3 章 考勤系统架构设计
　　　　3.1 系统需求分析
　　　　　　3.1.1 需求获取
　　　　　　3.1.2 系统数据流图
　　　　3.2 系统功能与结构设计
　　　　3.3 软硬件分配
　　　　3.4 数据库设计
　　　　　　3.4.1 数据库的选择
　　　　　　3.4.2 表结构
　　　　3.5 系统的安全性与可靠性
　　第 4 章 考勤系统硬件环境设计
　　　　4.1 硬件结构
　　　　4.2 嵌入式平台
　　　　4.3 指纹识别模块
　　　　　　4.3.1 指纹识别模块的特点
　　　　　　4.3.2 指纹识别模块通讯接口
　　　　4.4 环境监控传感器模块
　　　　　　4.4.1 传感器扩展板的基本构成
　　　　　　4.4.2 传感器扩展板的串口协议
　　　　　　4.4.3 传感器扩展板数码管显示说明
　　　　4.5 微型打印机模块
　　第 5 章 考勤系统软件功能设计与实现
　　　　5.1 开发环境
　　　　　　5.1.1 基本开发环境
　　　　　　5.1.2 图形界面开发环境
　　　　5.2 系统软件程序启动流程
　　　　5.3 主界面设计
　　　　5.4 环境感知功能的设计与实现
　　　　5.5 指纹识别考勤功能的设计与实现
　　　　　　5.5.1 系统管理
　　　　　　5.5.2 指纹验证
　　　　　　5.5.3 考勤记录
　　　　　　5.5.4 考勤统计及报表生成
　　　　5.6 通讯功能的设计与实现
　　　　　　5.6.1 嵌入式 Web 服务器
　　　　　　5.6.2 考勤信息发布页的动态生成
　　　　5.7 打印功能的设计与实现
　　　　5.8 系统支持
　　　　　　5.8.1 触摸屏校准
　　　　　　5.8.2 时间同步和显示
　　　　　　5.8.3 软键盘
　　第 6 章 考勤系统测试与分析
　　　　6.1 环境感知模块测试
　　　　6.2 指纹识别考勤模块测试
　　　　　　6.2.1 系统管理测试
　　　　　　6.2.2 指纹验证测试
　　　　　　6.2.3 考勤记录测试
　　　　　　6.2.4 考勤统计及报表生成测试
　　　　6.3 通讯模块测试
　　　　6.4 打印模块测试
　　　　6.5 系统支持模块测试
　　　　　　6.5.1 触摸屏校准测试
　　　　　　6.5.2 软键盘输入测试
　　　　6.6 系统综合测试
　　第 7 章 结 语
　　参考文献
　　致 谢

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