基于樹(shù)莓派考勤系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u15840基于樹(shù)莓派考勤系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例概述 1317241.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析 1296181.2系統(tǒng)功能需求分析 1318931.3系統(tǒng)用例分析 2162491.4其他需求分析 450091.4.1系統(tǒng)安全性 4247491.4.2系統(tǒng)可用性 4322861.5相關(guān)技術(shù)介紹 5134851.5.1Python 5196651.5.2指紋識(shí)別技術(shù) 5224291.5.3指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作模式 6270021.6相關(guān)技術(shù)比較 7需求分析也可以叫做系統(tǒng)需求分析或者軟件需求分析，處于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的第一個(gè)階段，同時(shí)在軟件生存周期中處于重要環(huán)節(jié)，該階段就是要對(duì)需要解決的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，分析該系統(tǒng)在功能上需要“實(shí)現(xiàn)什么”。需求分析的主要任務(wù)，即定義系統(tǒng)做什么，而不是如何做。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析本文設(shè)計(jì)研究的小型人員考勤管理系統(tǒng)是以樹(shù)莓派這一硬件系統(tǒng)為支撐，結(jié)合指紋識(shí)別模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的人員考勤系統(tǒng)。其中，指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)人員考勤信息的采集，然后通過(guò)TF屏輸出有關(guān)考勤和統(tǒng)計(jì)信息?？记谙到y(tǒng)封裝在樹(shù)莓派中，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、方便、實(shí)用、高效的考勤目的。系統(tǒng)功能需求分析該基于指紋識(shí)別的小型考勤管理系統(tǒng)主要具有指紋采集與處理、人員信息的管理、考勤信息的管理這三個(gè)功能模塊。接下來(lái)，我會(huì)對(duì)以上幾種模塊作依次說(shuō)明：1、指紋采集與處理模塊首先指紋錄入，即要對(duì)所有需要進(jìn)行考勤的人員進(jìn)行指紋采集，將收集到的人員指紋進(jìn)行預(yù)處理并轉(zhuǎn)換成二值圖像，提取其指紋特征點(diǎn)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。指紋考勤，即當(dāng)考勤人員進(jìn)行考勤時(shí)，系統(tǒng)將采集到實(shí)時(shí)指紋信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋信息自動(dòng)對(duì)比驗(yàn)證，記錄實(shí)時(shí)考勤打卡的信息。2、員工信息管理模塊員工信息管理模塊主要由員工信息的增加和刪除兩個(gè)部分組成。首先，考勤簽到人員都需要登記個(gè)人信息包括姓名、工號(hào)以及指紋信息；當(dāng)因各種原因有考勤人員減少的情況時(shí)，及時(shí)進(jìn)行人員信息的刪除；當(dāng)有人員信息發(fā)生變動(dòng)時(shí)，能及時(shí)修改該員工的基本信息。3、考勤信息管理模塊考勤信息管理模塊主要由考勤統(tǒng)計(jì)和考勤信息查詢(xún)這兩個(gè)部分組成?？记诮y(tǒng)計(jì)，即對(duì)所有進(jìn)行指紋考勤簽到的人員進(jìn)行記錄，包括姓名、工號(hào)、指紋考勤時(shí)間等?？记谛畔⒉樵?xún)，即在所有考勤記錄中，按照工號(hào)進(jìn)行查詢(xún)，得到具體某個(gè)人員的考勤記錄；或者選定一個(gè)時(shí)間區(qū)域進(jìn)行查詢(xún)，得到具體某個(gè)時(shí)間段內(nèi)人員考勤的記錄；也可以根據(jù)工號(hào)，選定某一時(shí)間區(qū)域，查詢(xún)具體某個(gè)人在具體某段時(shí)間內(nèi)的考勤記錄[6]。系統(tǒng)基本流程如圖1.1所示。圖1.1指紋考勤系統(tǒng)基本流程系統(tǒng)用例分析用例（UseCase）是從使用者的角度或者說(shuō)是從系統(tǒng)外部觀(guān)察系統(tǒng)的功能。在實(shí)踐中，用例就是需求，它是系統(tǒng)功能抽象的使用案例。在UML中用例是一個(gè)非常重要的概念，用例體現(xiàn)了系統(tǒng)的需求，驅(qū)動(dòng)了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。使用UML進(jìn)行軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程，就是持續(xù)迭代用例的過(guò)程。用例模型是系統(tǒng)功能性的模型，也是系統(tǒng)環(huán)境的模型，說(shuō)明了系統(tǒng)是做什么的。用例模型是全部系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的出發(fā)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)建模的全過(guò)程。建立用例模型有以下四步：1.識(shí)別參與者（Actor）參與者是同系統(tǒng)交互的所有事物，可以代表該系統(tǒng)的用戶(hù)，也可以代表除該系統(tǒng)以外的其他的任意事物，可以是一些其他軟件系統(tǒng)也可以是一些硬件設(shè)備等。1.合并需求獲得用例（UseCase）將參與者找到之后，檢查參與者并定義該參與者利用系統(tǒng)所做的事情或者所完成的功能。3.用例圖通過(guò)用例圖整理出所識(shí)別出的參與者以及所生成的用例，獲得用例模型的框架。4.細(xì)化用例描述用例描述包括：用例名稱(chēng)、用例目的、參與者、前提條件、工作流、后置條件、擴(kuò)展點(diǎn)等。從以上的描述中我們能夠發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)的頂層只能識(shí)別出1個(gè)參與者：普通用戶(hù)。同樣從上述系統(tǒng)描述中可以得知，在系統(tǒng)層主要有以下用例：①基本信息注冊(cè)，②指紋錄入，③基本信息刪除，④指紋簽到，⑤考勤信息統(tǒng)計(jì)，⑥考勤信息查詢(xún)。用例圖如圖1.2所示。圖1.2基于指紋識(shí)別的考勤系統(tǒng)用例圖其他需求分析系統(tǒng)安全性指紋是人體擁有的獨(dú)一無(wú)二的特征之一，它們的復(fù)雜程度完全達(dá)到了身份鑒別的要求。世界上每個(gè)人的每個(gè)指紋都具有唯一性，如果我們想要增加指紋考勤系統(tǒng)的可靠性，那只需要為每個(gè)考勤人員多登記錄入幾枚指紋即可?？记谌藛T使用指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行考勤打卡簽到，與原有的打卡式的考勤制度相比，具有更高的安全性和可靠性，能有效避免代簽到的情況。系統(tǒng)可用性指紋識(shí)別技術(shù)能夠有效地、便捷地識(shí)別確認(rèn)一個(gè)人的身份，利用指紋唯一性的特性，指紋識(shí)別系統(tǒng)能夠更加快速地、可靠地進(jìn)行考勤管理的各方面工作，提高了工作效率。對(duì)于該小型考勤系統(tǒng)的可用性作了如下兩個(gè)方面的考慮:1.人員使用電容式指紋采集儀器進(jìn)行指紋采集，能夠反復(fù)多次的錄入指紋信息，既方便又易于使用。1.記錄的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)以及個(gè)人考勤記錄的查詢(xún)可以更加方便的進(jìn)行對(duì)考勤人員的管理。1.5相關(guān)技術(shù)介紹本章節(jié)介紹了基于樹(shù)莓派的小型考勤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)，本系統(tǒng)使用Python語(yǔ)言進(jìn)行編碼，Tkinter進(jìn)行UI設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)工具選用Python3(IDLE)。1.5.1PythonPython是一種解釋型、交互式、純面向?qū)ο蟮哪_本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,Python綜合了各種不同語(yǔ)言的設(shè)計(jì)原則和思想。自1990年GuidovanRossum發(fā)明Python以來(lái),它的簡(jiǎn)單、清晰和優(yōu)雅吸引了廣泛的關(guān)注,Python社區(qū)以每?jī)赡攴乃俣妊杆贁U(kuò)張。1.5.2指紋識(shí)別技術(shù)一般來(lái)說(shuō)，指紋識(shí)別的算法可分為五個(gè)部分，分別是指紋采集圖像輸入數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；將處理過(guò)的圖像提取其特征值；對(duì)比特征值；對(duì)比指紋[8]。如圖1.3所示。圖1.3指紋識(shí)別流程指紋圖像輸入目前指紋采集設(shè)備可分為光學(xué)采集設(shè)備、電容采集設(shè)備、溫差感應(yīng)采集設(shè)備、超聲波采集設(shè)備。目前，被廣泛使用的是光學(xué)采集設(shè)備，但有收集的指紋質(zhì)量不高的缺點(diǎn)。電容式的指紋采集設(shè)備運(yùn)用的原理是平板電容器的電容公式，采集到的指紋圖像質(zhì)量比較好。超聲波采集是一種新興的指紋提取手段，它直接用超聲波掃描真皮組織，通過(guò)回波檢測(cè)距離，采集指紋的穩(wěn)定性較高，但器件成本較高。預(yù)處理對(duì)于采集到的指紋圖像會(huì)有一些的雜音，從而影響指紋錄入的質(zhì)量。通過(guò)預(yù)處理，能夠把才收集好得指紋圖像變成線(xiàn)條二值圖像[9]。預(yù)處理的流程如圖1.4所示。圖1.4指紋圖像預(yù)處理特征提取指紋特征可以分成局部特征和全局特征。指紋的局部特征有150種左右。通常，我們認(rèn)為僅要13個(gè)局部特征一樣，就可以判斷是同一個(gè)手指指紋。但是，普通的指紋識(shí)別技術(shù)只對(duì)比分叉點(diǎn)和紋線(xiàn)端點(diǎn)。這兩個(gè)局部特征點(diǎn)是出現(xiàn)概率最大同時(shí)也是最穩(wěn)定的局部特征點(diǎn)，如果這兩個(gè)局部特征點(diǎn)一致，就基本可以判斷是同一個(gè)手指指紋。我們所用的指紋采集設(shè)備就可以采集到這兩個(gè)局部特征點(diǎn)。指紋分類(lèi)為了減少指紋搜索的面積，提高指紋比對(duì)的速度，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行分類(lèi)。指紋分類(lèi)越詳細(xì)，在進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)用的的時(shí)間就越少。指紋比對(duì)指紋對(duì)比是通過(guò)對(duì)指紋特征點(diǎn)的位置和關(guān)系來(lái)判斷是否用的是同一個(gè)手指指紋。把將要比對(duì)的指紋跟數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋樣本進(jìn)行比對(duì)，主要比對(duì)分差點(diǎn)和紋線(xiàn)端點(diǎn)。有些指紋會(huì)存在一些微小的差距，所以指紋比對(duì)的進(jìn)行的是模糊處理[9]。1.5.3指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作模式指紋識(shí)別的工作模式可以分成兩種：已知是A用戶(hù)來(lái)檢驗(yàn)是否為A用戶(hù)的工作模式和僅知道指紋來(lái)確定是誰(shuí)的指紋的工作模式。工作模式需要數(shù)據(jù)庫(kù)中有待識(shí)別指紋的信息，并綁定指紋信息和指紋，只要A用戶(hù)輸入指紋就能夠把數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行對(duì)比對(duì)比，若匹配，則是A用戶(hù)，若不匹配則不是A用戶(hù)。驗(yàn)證模式基本過(guò)程如圖1.5所示。圖1.5指紋比對(duì)驗(yàn)證過(guò)程識(shí)別模式就是指紋信息未和用戶(hù)綁定，采集指紋后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行驗(yàn)證，如果有一樣的，就匹配，沒(méi)有一樣指紋的則不匹配。辨識(shí)過(guò)程如圖1.6所示。圖1.6指紋辨識(shí)過(guò)程1.6相關(guān)技術(shù)比較樹(shù)莓派（Raspberry

Pi）是2012年3月才誕生的一款基于A(yíng)RM的微型電腦主板，其系統(tǒng)基于Linux。它以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周?chē)?/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100

以太網(wǎng)接口（B型集成了WiFi模塊），可連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、網(wǎng)線(xiàn)和顯示器，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能和許多擴(kuò)展功能。其成本只是一臺(tái)普通電腦的幾十分之一。對(duì)于基于樹(shù)莓派的指紋考勤系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)而言，以下對(duì)主流編碼方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。如表1.1所示。語(yǔ)言Pythonjava.NET特點(diǎn)面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊痰木幾g型語(yǔ)言、先編譯后在java虛擬機(jī)上解釋執(zhí)行面向?qū)ο缶幊痰木幾g型語(yǔ)言、先編譯后在.NET框架CLR編譯執(zhí)行優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單易學(xué)、效率高、可移植性強(qiáng)語(yǔ)言跨平臺(tái)、適合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)、框架豐富快速開(kāi)發(fā)、開(kāi)發(fā)成本維護(hù)成本低缺點(diǎn)后期延展性差、架構(gòu)太多開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較高、效率較差可移植性差，沒(méi)有核心技術(shù)積累表1.SEQ表3.\*ARABIC1編程語(yǔ)言的對(duì)比本課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是Python語(yǔ)言，Python語(yǔ)言通俗易懂，很容易學(xué)習(xí)，Python放棄了C語(yǔ)言里十分復(fù)雜的指針，讓語(yǔ)法變得簡(jiǎn)單；Python語(yǔ)言可移植性高，由于它是開(kāi)源的，Python已經(jīng)被移植到大量平臺(tái)。以下是幾個(gè)常用PythonGUI庫(kù)比較：Tkinter：Tkinter模塊是Python自帶的用于GUI編程的模塊。Tkinter是對(duì)圖形庫(kù)TK的封裝。Tkinter可以在絕大部分的UNIX操作系統(tǒng)下使用,也可以在Windows和Macintosh操作系統(tǒng)里使用。wxPython：wxPython是一種開(kāi)源軟件，它是Python語(yǔ)言的一套優(yōu)秀的GUI圖形庫(kù)，是一種跨平臺(tái)GUI工具，同意Python開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建完整的、功能齊全的GUI用戶(hù)界面。在Python中運(yùn)用wxPython能夠編寫(xiě)具備跨平臺(tái)能力的GUI腳本。PyQt：PyQt是一個(gè)創(chuàng)建GUI程序的工具包。它成功地