原標題：基于 RFID 模塊的在線考勤系統（代碼+示意圖）

第一章 系統概述

本在線考勤系統基于RFID技術實現對人員身份的自動識別與記錄，通過RFID讀寫模塊與微控制器的配合，將考勤信息實時傳輸至遠程服務器進行存儲與管理，從而滿足企業或學校對考勤過程自動化、無紙化、實時化的需求。在設計該系統時，首先需要確定系統主要功能需求：要求能夠在人員靠近讀寫區域時自動識別RFID卡片的唯一標識碼，并通過WiFi網絡將該標識碼以及讀取時間等數據上傳至后端服務器；需要具備本地存儲或顯示功能，以便在網絡斷開時也能對考勤數據進行簡單記錄；需要在硬件選型上兼顧成本、性能與易用性，確保系統長期穩定運行；需要提供中英文對照的考勤界面（若有顯示功能）。本章主要對系統整體架構、功能特點以及設計思路進行總體介紹，為后續章節硬件設計與軟件實現打下基礎。

第二章 系統總體設計

本章將對系統的硬件架構、軟件架構及功能模塊進行詳細描述。系統總體架構主要包括四大部分：讀寫終端模塊、核心控制單元、網絡傳輸模塊以及后臺服務器。讀寫終端模塊由RFID讀寫器、天線、指示燈、蜂鳴器等組成，用于采集待考勤人員手持卡片或掛繩卡經過識別范圍時的唯一ID；核心控制單元采用具有WiFi能力的32位微控制器，將讀寫模塊采集到的卡號信息進行處理后，調用網絡傳輸模塊通過HTTP或MQTT協議將考勤數據推送至服務器；網絡傳輸模塊選用價格低廉且易于二次開發的ESP8266/ESP32系列芯片；后臺服務器部分則由Linux云服務器搭建的MySQL數據庫與PHP/Python編寫的Web服務組成，負責接收、存儲及展示考勤記錄并提供管理頁面。

在功能劃分上，系統可分為底層驅動層、通信協議層和應用邏輯層。底層驅動層主要包括RFID讀寫器驅動程序及GPIO、SPI等外設配置；通信協議層則是實現基于TCP/IP協議棧的WiFi初始化、HTTP網絡通信或MQTT發布/訂閱功能；應用邏輯層負責考勤操作流程控制，包括卡片檢測、服務器連接、數據上傳、本地顯示以及斷線重連等邏輯。此外，為了保證系統的可靠性，軟件中還需實現雙緩沖機制：即在網絡通信不暢時，將考勤信息先寫入本地Flash或EEPROM，待網絡恢復后再自動上傳，確保數據不丟失。

第三章 硬件設計

硬件設計概述

在硬件設計方面，對系統各個模塊進行分解并選擇相應元器件。整個系統主要硬件模塊包括：節點微控制器單元（MCU）、RFID讀寫模塊、電源供應模塊、指示燈與蜂鳴警示模塊、通信模塊及其他輔助電路。本系統不采用外部顯示屏或按鈕輸入，僅在設備上使用若干狀態指示LED與蜂鳴器，以簡化硬件復雜度并減少維護成本。微控制器選用具備WiFi功能且主頻較高、GPIO資源豐富的模塊，以支持RFID讀寫、網絡通信以及其他外設功能的同時具備足夠的運算能力和存儲空間。RFID讀寫模塊則選用基于NXP MFRC522芯片的RC522模塊，因其性能穩定、成本低廉且在開源社區有豐富的庫支持，便于快速開發。

在電源設計方面，則需為MCU與RFID模塊分別提供3.3V與5V電源，而系統最終選擇輸入電壓5V，由穩壓芯片AMS1117-3.3V將5V降壓至3.3V以供給微控制器與RFID模塊，并在關鍵節點增加必要的電容進行濾波與去耦，確保系統在高頻高速讀寫、WiFi通信等情況下電源穩定。接下來將對各個子模塊中的關鍵元器件進行優選，并詳細描述其型號、作用、選擇原因與功能。

RFID讀寫模塊

優選元器件：MFRC522 RFID讀寫模塊（含內置天線）

1. 器件型號：RC522 RFID模塊，工作電壓3.3V，支持ISO/IEC 14443 A協議，讀寫距離約2-5厘米。

2. 器件作用：該模塊負責射頻信號的發送與接收，可通過SPI總線與主控芯片通信，從RFID卡片獲取UID并通過硬件校驗。

3. 選擇理由：MFRC522芯片由恩智浦（NXP）出品，具備完整的ISO/IEC 14443A協議兼容性，能夠支持多種MIFARE卡片；該模塊在市場上極為普及，具有成熟的開源硬件與軟件庫支持，能夠將開發難度降至最低；其功耗較低，待機時僅需幾十毫安，且讀寫速率可達到106 kbps，能夠滿足日常考勤場景下的高頻讀寫需求。

4. 器件功能：實現RFID射頻卡片與主控單元之間的物理層與鏈路層通信，包括天線發射RFID射頻場并對卡片返回的信號進行解調與解碼，將卡片UID與狀態信息通過SPI接口傳遞至主控器件。

微控制器（MCU）單元

優選元器件：NodeMCU開發板（ESP-12E模塊，基于ESP8266）

1. 器件型號：ESP-12E（WiFi SoC）；NodeMCU V3開發板內部包含ESP-12E模塊。

2. 器件作用：作為系統的核心控制單元，ESP8266模塊集成了802.11b/g/n WiFi功能、具有80MHz主頻的Tensilica L106 RISC處理器內核及160KB SRAM，通過GPIO、SPI和UART與其他外設（如RC522模塊）進行通信。同時通過WiFi模塊可以建立TCP/IP連接，將讀取到的考勤信息上傳至服務器。

3. 選擇理由：ESP8266系列芯片具有成本低、社區支持廣、功耗適中、WiFi性能良好等優勢。NodeMCU開發板內置USB轉串口電路，可直接通過USB進行編程與供電，開發門檻低；提供豐富的GPIO接口，可方便地與RFID模塊進行SPI通信，同時支持獨立運行，無需額外的WiFi模塊；單片機內部Flash容量為4MByte，足夠存儲程序與緩存臨時數據；此外NodeMCU擁有完善的Arduino核心庫支持，使得軟件開發更加便捷。

4. 器件功能：負責初始化WiFi網絡、RFID讀寫器與其他外設，執行考勤流程邏輯，包括卡片檢測、中斷處理、網絡連接、數據緩存與數據上傳。在網絡不可用時自動將考勤記錄寫入本地Flash或EEPROM，當網絡恢復時自動補傳數據，保證數據完整性與連續性。

電源供應模塊

優選元器件：AMS1117-3.3 穩壓芯片（SOT-223封裝）、輸入電解電容 10μF、陶瓷電容 0.1μF

1. 器件型號：AMS1117-3.3；輸入電容國產佳利 10μF/16V電解電容；0.1μF陶瓷電容。

2. 器件作用：將系統主電源通過穩壓芯片將5V降壓為3.3V，為ESP8266與RFID模塊等3.3V電源提供穩定供電；電解電容與陶瓷電容用于濾波，分別對低頻紋波與高頻噪聲進行抑制。

3. 選擇理由：AMS1117-3.3是一顆常見的線性穩壓芯片，最大輸出電流可達1A，足以為ESP8266模塊（典型工作時峰值電流約300mA）和RFID模塊（最大工作電流約50mA）供電；該芯片具備過熱保護與過載保護功能，提高系統可靠性；封裝形式為SOT-223，易于在PCB上進行散熱。輸入電解電容用于穩定輸入電壓、降低低頻紋波；0.1μF陶瓷電容用于濾除高頻雜波，二者配合使用可顯著提高穩壓芯片的性能穩定性。

4. 器件功能：提供3.3V穩壓輸出，使ESP8266與RC522模塊在高頻高速工作時仍能保持電壓穩定性，避免因供電不穩定導致模塊復位或數據丟失。電容用于濾波及電流瞬態沖擊響應，保障系統抗干擾能力與瞬態過載能力。

指示燈與蜂鳴器模塊

優選元器件：LED指示燈（紅、綠各1顆，3mm貼片式），有源蜂鳴器模塊（DC 3.3V-5V）

1. 器件型號：紅色LED（型號如LTL-307EE），綠色LED（型號如LTL-307EG），有源蜂鳴器（型號如YT-1631V3.3）。

2. 器件作用：LED用于指示系統當前狀態，例如“系統啟動完成”、“網絡連接成功”、“考勤成功”等狀態；蜂鳴器用于提示操作結果，如考勤成功時短促蜂鳴，考勤失敗或網絡斷開時連續蜂鳴。

3. 選擇理由：LED發光二極管具有壽命長、功耗低、發光效率高的特點，用途廣泛且成本低廉；采用3mm貼片式封裝，可直接焊接在PCB板上，節省空間。蜂鳴器模塊為有源蜂鳴器，只需給通電方便控制，驅動電流較小，模塊自帶振蕩源，接通電源即可發聲，減少額外電路設計。

4. 器件功能：LED作為視覺反饋元件，實時反映系統在考勤流程中的各類狀態；蜂鳴器作為聽覺提示元件，在考勤成功或異常時通過不同蜂鳴凸顯系統響應，幫助用戶快速辨別操作結果，提升體驗。

其他輔助元件

• 電平轉換芯片
  優選：74HC4050六路電平轉換器
  器件作用：將NodeMCU的3.3V電平與其他可能出現的5V模塊信號進行電平匹配，保護GPIO不被高電平燒毀。
  選擇理由：74HC4050屬于CMOS多路緩沖器，能將輸入電平5V可靠轉換為3.3V，同時輸出能力強，可驅動小量負載；封裝相對小巧，易于集成于PCB。
  功能：保證板載所有外設信號不超過3.3V，防止電平沖突及微控制器損壞。

• USB轉TTL串口芯片（PL2303或CH340）
  器件作用：在調試階段為NodeMCU開發板提供USB串口通信接口，使開發者可以通過串口監視與燒錄程序。
  選擇理由：CH340與PL2303均為常見的USB轉串口芯片，驅動成熟，價格低廉，兼容性強；部分NodeMCU開發板已集成CH340模塊，用戶可直接通過Micro USB口進行開發與調試。
  功能：用于開發階段與PC進行串口通信，實現程序燒錄、串口調試與日志輸出。

• 電源接口及PCB板材
  選擇5.5mm×2.1mm直流插座，用于外接適配器供電；PCB材質選用FR4雙層板，厚度1.6mm，銅厚35μm；頂層走高頻信號線，底層進行大面積地銅。
  選擇理由：常見適配器接口及優選PCB材質能夠兼顧散熱、成本以及可加工性；PCB布局中需考慮RFID天線附近的走線，避免過多金屬層干擾射頻場，保證讀寫性能。
  功能：為系統提供機械支撐與電路支撐，保證各元器件布局合理、信號干凈，并兼顧散熱。

第四章 硬件元器件選型及說明

1. 核心芯片：ESP-12E（ESP8266）節點MCU
ESP-12E模塊內部整合了ESP8266EX射頻芯片、PCB印刷天線、Flash存儲及外圍電路，具備完善的WiFi功能和強大的控制能力。該芯片主頻為80MHz（可超頻至160MHz），內部SRAM約為160KB，外部Flash容量常見為4MB，足以存儲大型固件與臨時緩存。采用ESP8266的原因在于其價格相對低廉（常見開發板售價在人民幣30-50元之間），同時擁有扎實的社區支持和完善的Arduino核心庫。通過Arduino IDE進行二次開發時，只需在工具中選擇“NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)”即可完成固件編譯與燒錄。該芯片板載USB轉串口芯片，無需額外外接調試工具。其內部集成了WiFi客戶端/服務器、TCP/UDP、HTTP/HTTPS、MQTT等常用協議棧，能夠快速實現遠程數據傳輸與服務器通信。因此，ESP-12E是嵌入式聯網項目的常見首選。

2. 射頻讀寫模塊：MFRC522（RC522模塊）
MFRC522是一款性能優異的13.56MHz近場通信（NFC）讀寫芯片，支持ISO/IEC 14443A協議，可與市面上包括MIFARE卡在內的多種兼容卡片進行交互。該芯片具有內部天線匹配網絡，常見的RC522模塊直接采用MFRC522芯片與PCB天線集成，通過SPI總線與主控通信，接口引腳包括SDA（SS）、SCK、MOSI、MISO、RST、IRQ、3.3V和GND。其中SDA引腳可用作片選：當其為低電平時，MFRC522處于激活狀態。模塊的工作電壓范圍為2.5V至3.3V，功耗低，待機功耗僅約13mA，Peak電流約50mA左右，這與ESP8266同步工作時的3.3V電源輸出能力相匹配。采用MFRC522模塊的原因還包括：其在開源社區中提供了大量的Arduino和NodeMCU示例代碼；其硬件成本低（單價約25元），且能夠滿足日常考勤場景對讀寫距離較近、讀寫速率適中的需求；模塊振蕩穩定，配合軟件層驅動能夠快速完成ID識別與數據讀取。由于MFRC522僅支持13.56MHz頻段，能夠在辦公室、教室等無過長干擾距離的場合使用。

3. 穩壓電源芯片：AMS1117-3.3V
AMS1117-3.3是一款流行的線性低壓降穩壓器（LDO），輸入電壓可在4.75V至12V之間，輸出3.3V，最大輸出電流1A。其內部帶有過流保護、過熱保護和過壓保護功能，可在外部器件短路或高溫環境下保證系統安全；穩壓器工作時靜態電流約為5mA，加之外接的浮點電容（輸入端10μF、輸出端10μF），能夠在ESP8266WiFi模塊峰值供電時提供足夠的瞬態響應能力，避免因瞬態電流沖擊導致WiFi連接不穩定甚至重啟。AMS1117引腳腳距寬，同樣方便焊接。選用該芯片的原因在于它的成熟度高、價格低廉（約2元/顆），且能夠為ESP8266與MFRC522模塊提供穩定的3.3V電源。

4. 電平轉換芯片：74HC4050
74HC4050是一款六通道緩沖器，其輸入最高承受電壓可達5V，輸出為標準CMOS電平3.3V左右，極大地降低了MCU管腳遭受高電平損壞的風險。在本系統中，由于NodeMCU開發板所有GPIO均為3.3V電平，而若外部接入其他5V模塊，可能出現電平沖突，因此選用74HC4050可將5V信號輸入限定為安全的3.3V電平。該芯片內部采用CMOS工藝制作，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗，能快速驅動后級電路；其工作電壓為2V至6V，常溫下輸出保持穩定。在與RC522模塊通信時，RC522模塊也基于3.3V工作，但為了在PCB布局上預留隱藏潛在5V信號輸入，仍預留74HC4050用于未來拓展或兼容性需求，增強系統設計的靈活性與可靠性。

5. 指示燈與蜂鳴器模塊
（1）LED指示燈：選用3mm貼片紅/綠雙色發光管（如LTL-307EE/LTL-307EG），其正向工作電流10mA左右，亮度適中。LED通過限流電阻（4.7kΩ）接至MCU輸出端，用于顯示系統狀態（紅燈表示網絡未連接或考勤異常，綠燈表示考勤成功）。選用貼片LED可以節省PCB空間，且易于自動化貼片生產。
（2）蜂鳴器：選用有源蜂鳴器模塊（如YT-1631V3.3），驅動電壓范圍3.3V至5V，驅動電流約有20mA，背面自帶振蕩器，無需外部振蕩電路。蜂鳴器接至MCU GPIO，引腳輸出高電平時蜂鳴器發聲。設計考勤提示時，考勤成功時蜂鳴器發出短促“嘀”聲音，提示信息已被接收；若考勤失敗或重復刷卡，蜂鳴器發出長“嘀……”以引起注意。選用有源類型的原因在于無需單獨設計振蕩振幅電路，直接驅動即可發聲，大大簡化硬件設計。

6. PCB 與連接器件
（1）PCB材料：采用雙層FR4板，厚度1.6mm，頂層走射頻高頻信號時注意與地銅層保持距離避免干擾。RFID天線與地層之間需留出網格隔離區，形成凈空區以提高射頻讀寫性能。底層作為整塊地銅，用于屏蔽與散熱。
（2）連接器件：5.5×2.1mm直流電源插座，用于外接5V直流適配器。USB Micro-B 母座，用于開發調試階段供電與串口下載。各引腳連接可采用2.54mm排針排母插座便于擴展和調試。

第五章 軟件設計

1. 開發環境與工具鏈

本系統的軟件部分主要基于Arduino IDE環境進行二次開發，安裝ESP8266核心庫以支持NodeMCU資源。在Arduino IDE中添加如下開發板管理URL：

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

然后在“工具—開發板”中選擇“NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)”，并設置Flash大小為“4M (3M SPIFFS)”，上傳速度115200，選用“DIO”閃存模式以提高Flash寫入兼容性。調試時通過USB數據線連接NodeMCU與PC，在Arduino串口監視器中可實時觀察調試信息。

在代碼庫方面，引入開源MFRC522庫以簡化RFID模塊驅動的實現。安裝方式為在Arduino IDE“庫管理器”中搜索“MFRC522”并點擊安裝。該庫提供了常用的卡片檢測、卡片選定、阻抗匹配、數據讀寫等API，用戶只需拷貝示例代碼稍作修改即可實現RFID讀寫功能。此外，為了實現HTTP通信，還需包含ESP8266WiFi.h、ESP8266HTTPClient.h等頭文件，用于WiFi連接與HTTP請求。在異常情況下，也可使用ESP8266WebServer庫在本地搭建Web服務端口，用于診斷或進行本地數據查看。后續服務器端接口可選用RESTful風格，將考勤卡號與時間戳封裝為JSON格式，通過POST請求發送。

2. 系統功能流程

系統軟件設計遵循模塊化與狀態機思想，將整個考勤流程分為以下幾個主要步驟：
（1）系統初始化：按電源上電順序，先通過AMS1117-3.3將5V穩壓至3.3V，NodeMCU上電重置后執行setup()函數。在setup()函數中配置GPIO引腳，將LED與蜂鳴器引腳設為OUTPUT，將MFRC522模塊的引腳（SDA、SCK、MOSI、MISO、RST）按對應IO初始化，初始化SPI總線；調用SPI.begin()、mfrc522.PCD_Init()初始化RFID模塊；然后初始化串口Serial.begin(115200)便于日志輸出；接著調用WiFi.mode(WIFI_STA)和WiFi.begin(ssid, password)啟動WiFi連接，并通過while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED)等待連接成功，同時在此期間通過LED與串口提示當前網絡連接狀態。網絡連接成功后，點亮綠燈并發送串口信息提示系統進入正常考勤狀態；若連續五次嘗試均失敗，則點亮紅燈并將系統置于“脫機考勤”狀態，僅將讀到的卡ID存入本地EEPROM，等待網絡恢復后再批量上傳。
（2）卡片檢測與讀取：進入主循環loop()后，持續調用mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()判定是否有新卡進入讀取范圍；若無卡片，則繼續循環；若檢測到卡片存在，則調用mfrc522.PICC_ReadCardSerial()獲取卡片的UID（通常4字節或7字節長，根據卡片類型不同而定），并將UID數組轉換為十六進制字符串以便于后續數據處理。此時點亮蜂鳴器一次，提示用戶已識別到卡片。
（3）數據打包與上傳：將讀取到的卡號UID與當前RTC時間（可通過time.h庫或調用NTP網絡時間同步獲取）封裝成JSON格式數據包，例如：

{  
  "card_id": "AA:BB:CC:DD",  
  "timestamp": "2025-06-04 14:30:15",  
  "device_id": "NODEMCU_01"  
}    

隨后使用HTTPClient類發送POST請求至預先在服務器端配置的考勤接口URL，例如：

HTTPClient http;
http.begin("http://example.com/api/attendance");
http.addHeader("Content-Type", "application/json");
int httpResponseCode = http.POST(jsonPayload);

如果httpResponseCode == 200，且服務器返回“success”標志，則認為數據上傳成功；此時點亮綠燈并蜂鳴提示；若上傳失敗或網絡斷開，則將考勤數據寫入EEPROM或SPIFFS臨時文件中，并點亮紅燈與蜂鳴器發長聲提示用戶信息保存失敗，等待網絡恢復后進行重傳。
（4）離線緩存與數據補傳：在主循環中，需要檢測是否存在未上傳的緩存數據；若網絡恢復即WiFi.status()重新變為WL_CONNECTED，則逐條讀取EEPROM或SPIFFS中的緩存數據，重復執行HTTP上傳邏輯，直到緩存清空或上傳成功為止。為了防止EEPROM空間溢出，可采用環形緩存或第一條上傳即刪除的策略。此外，為了避免重復刷卡造成緩存數據重復，應在本地緩存表中對UID與時間戳聯合去重或設置時間窗口（例如同一張卡片1分鐘內再次刷卡視為重復無效），提高系統穩定性與數據正確率。
（5）系統異常處理：通過監測WiFi連接狀態、EEPROM剩余空間、SPIFFS剩余空間以及RFID模塊返回狀態檢測，及時捕獲系統運行故障并發送串口日志或LED指示。例如：若RFID模塊長時間無法讀取卡片，可調用mfrc522.PCD_Reset()復位MFRC522芯片；若出現WiFi連接超時超過設定閾值，可嘗試重啟WiFi模塊或斷電重啟NodeMCU。并在串口與LED進行相應提示，以便現場維護人員及時進行檢修。

3. 主要函數與代碼示例

以下為系統核心代碼示例，包含硬件引腳定義、初始化、卡片讀取、數據上傳與離線緩存邏輯。代碼采用Arduino風格編寫，建議讀者將其復制至Arduino IDE進行編譯與燒錄。

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h>
#include <EEPROM.h>
#include <time.h>

// WiFi相關配置
const char* ssid = "Your_SSID";                
const char* password = "Your_PASSWORD";        

// 服務器API接口
const char* serverUrl = "http://example.com/api/attendance";

// RFID模塊引腳定義（NodeMCU對應引腳）
#define RST_PIN D3   // MFRC522復位引腳
#define SDA_PIN D4   // MFRC522片選引腳（SS）

MFRC522 mfrc522(SDA_PIN, RST_PIN); // 創建MFRC522實例

// LED與蜂鳴器引腳定義
#define LED_GREEN D1
#define LED_RED D2
#define BUZZER_PIN D5

// EEPROM地址定義
#define EEPROM_SIZE 512
#define CACHE_START 0

WiFiClient espClient;

// 獲取當前網絡時間（使用NTP協議同步）
void setupTime() {
  configTime(8 * 3600, 0, "pool.ntp.org", "time.nist.gov"); // 時區為UTC+8
  Serial.print("Waiting for NTP time sync: ");
  time_t now = time(nullptr);
  while (now < 8 * 3600 * 2) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    now = time(nullptr);
  }
  Serial.println("");
  struct tm timeinfo;
  gmtime_r(&now, &timeinfo);
  Serial.print("Current time: ");
  Serial.print(asctime(&timeinfo));
}

// 將UID數組轉換為十六進制字符串
String uidToString(MFRC522::Uid uid) {
  String uidString = "";
  for (byte i = 0; i < uid.size; i++) {
    if (uid.uidByte[i] < 0x10) uidString += "0";
    uidString += String(uid.uidByte[i], HEX);
    if (i < uid.size - 1) uidString += ":";
  }
  uidString.toUpperCase();
  return uidString;
}

// 將考勤記錄寫入EEPROM末尾
void cacheRecord(String jsonData) {
  int addr = 0;
  // 尋找第一個0xFF字節，表示空余位置
  while (addr < EEPROM_SIZE) {
    byte b = EEPROM.read(CACHE_START + addr);
    if (b == 0xFF) break;
    addr++;
  }
  if (addr + jsonData.length() + 1 >= EEPROM_SIZE) {
    Serial.println("EEPROM已滿，無法存儲更多離線記錄");
    return;
  }
  for (int i = 0; i < jsonData.length(); i++) {
    EEPROM.write(CACHE_START + addr + i, jsonData[i]);
  }
  EEPROM.write(CACHE_START + addr + jsonData.length(), '
'); // 以換行符分隔記錄
  EEPROM.commit();
  Serial.println("離線考勤記錄已寫入EEPROM");
}

// 從EEPROM中讀取第一條離線記錄并移除
bool readAndRemoveCache(String &record) {
  record = "";
  int addr = 0;
  // 讀取第一條記錄
  while (addr < EEPROM_SIZE) {
    byte b = EEPROM.read(CACHE_START + addr);
    if (b == 0xFF) {
      return false; // 無更多記錄
    }
    if (b == '
') break;
    record += char(b);
    addr++;
  }
  if (addr == 0) return false; // 空記錄
  // 將剩余數據前移
  int nextAddr = addr + 1;
  int shiftAddr = 0;
  while (nextAddr < EEPROM_SIZE) {
    byte b = EEPROM.read(CACHE_START + nextAddr);
    EEPROM.write(CACHE_START + shiftAddr, b);
    EEPROM.write(CACHE_START + nextAddr, 0xFF);
    shiftAddr++;
    nextAddr++;
  }
  // 將剩余空間置為0xFF
  while (shiftAddr < EEPROM_SIZE) {
    EEPROM.write(CACHE_START + shiftAddr, 0xFF);
    shiftAddr++;
  }
  EEPROM.commit();
  return true;
}

// 上傳考勤數據至服務器
bool uploadData(String jsonData) {
  HTTPClient http;
  http.begin(serverUrl);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  int httpCode = http.POST(jsonData);
  if (httpCode == HTTP_CODE_OK) {
    String payload = http.getString();
    http.end();
    if (payload.indexOf("success") >= 0) {
      return true;
    }
    return false;
  } else {
    Serial.print("HTTP POST 錯誤，錯誤碼：");
    Serial.println(httpCode);
    http.end();
    return false;
  }
}

void setup() {
  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("RFID在線考勤系統啟動中...");

  // 初始化EEPROM
  EEPROM.begin(EEPROM_SIZE);

  // 初始化LED和蜂鳴器引腳
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(LED_RED, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
  digitalWrite(LED_RED, LOW);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);

  // 初始化RFID模塊
  SPI.begin();
  mfrc522.PCD_Init();
  Serial.println("MFRC522模塊初始化完成");

  // 初始化WiFi
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("嘗試連接WiFi網絡: ");
  Serial.println(ssid);
  int retries = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retries < 20) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    retries++;
  }
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    Serial.println("");
    Serial.println("WiFi連接成功，IP地址：");
    Serial.println(WiFi.localIP());
    digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
    setupTime();
  } else {
    Serial.println("");
    Serial.println("WiFi連接失敗，進入脫機模式");
    digitalWrite(LED_RED, HIGH);
  }
  delay(500);
}

void loop() {
  // 離線緩存數據若存在且網絡已恢復，則優先上傳
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
    String cached;
    while (readAndRemoveCache(cached)) {
      Serial.print("嘗試上傳離線緩存記錄：");
      Serial.println(cached);
      if (uploadData(cached)) {
        Serial.println("緩存記錄上傳成功");
      } else {
        Serial.println("緩存記錄上傳失敗，將重新寫回EEPROM");
        cacheRecord(cached);
        break;
      }
    }
  } else {
    digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
    digitalWrite(LED_RED, HIGH);
  }

  // 檢測是否有新卡片
  if (!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() || !mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
    delay(200);
    return;
  }

  String uidStr = uidToString(mfrc522.uid);
  Serial.print("檢測到卡片，UID: ");
  Serial.println(uidStr);

  // 獲取當前時間戳
  time_t now = time(nullptr);
  struct tm timeinfo;
  localtime_r(&now, &timeinfo);
  char timeBuf[20];
  sprintf(timeBuf, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", 
          timeinfo.tm_year + 1900, timeinfo.tm_mon + 1, timeinfo.tm_mday,
          timeinfo.tm_hour, timeinfo.tm_min, timeinfo.tm_sec);
  String timestamp = String(timeBuf);

  // 構造JSON數據
  String jsonData = "{";
  jsonData += ""card_id":"" + uidStr + "",";
  jsonData += ""timestamp":"" + timestamp + "",";
  jsonData += ""device_id":"NODEMCU_01"";
  jsonData += "}";

  // 蜂鳴提示
  digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);

  // 上傳或緩存
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    if (uploadData(jsonData)) {
      Serial.println("考勤數據上傳成功");
      digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
      digitalWrite(LED_RED, LOW);
    } else {
      Serial.println("考勤數據上傳失敗，將寫入EEPROM");
      cacheRecord(jsonData);
      digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
      digitalWrite(LED_RED, HIGH);
    }
  } else {
    Serial.println("網絡斷開，寫入EEPROM離線緩存");
    cacheRecord(jsonData);
    digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
    digitalWrite(LED_RED, HIGH);
  }

  // 防止快速連續刷卡，延時一段時間
  delay(1000);
  mfrc522.PICC_HaltA();
  mfrc522.PCD_StopCrypto1();
}

上述代碼中，各部分邏輯已經用注釋詳細說明，用戶可根據實際需求對服務器URL、本地緩存大小和時間同步服務器地址等進行修改。在調試完成后，可通過Arduino IDE將程序燒錄至NodeMCU板上，即可實現場地在線考勤功能。

第六章 示意圖與電路連線

以下為系統示意圖（以簡潔塊圖形式表示各模塊之間的連接關系）：

      ┌──────────────────────────────┐
      │          外部電源 5V         │
      └─────────────┬────────────────┘
                    │
             ┌──────▼──────┐
             │AMS1117-3.3V │
             │  穩壓模塊    │
             └───┬──────┬───┘
                 │      │
             3.3V│      │3.3V
                 │      │
         ┌───────▼┐ ┌────▼───────────┐
         │NodeMCU │ │MFRC522模塊    │
         │ (ESP8266)│ │ (RFID讀寫器) │
         └───┬─────┘ └───────────────┘
             │SPI總線引腳:       │
             │SDA(D4)→SS        │
             │SCK(D5)→SCK       │
             │MOSI(D7)→MOSI     │
             │MISO(D6)→MISO     │
             │RST(D3)→RST       │
             │                  │
             │                  │
   ┌─────────▼────────┐   ┌─────▼─────┐
   │指示燈與蜂鳴器模塊│   │PCB板       │
   │ LED_GREEN(D1)   │   │ (各種連接)  │
   │ LED_RED(D2)     │   │地銅層        │
   │ Buzzer(D8)      │   │RFID天線凈空區│
   └─────────────────┘   └────────────┘
             │
             │
        無線WiFi通信
             │
      ┌──────▼────────┐
      │ 后端服務器(Linux) │
      │MySQL & PHP/Python│
      │考勤數據存儲與管理 │
      └─────────────────┘

其中，AMS1117-3.3V穩壓模塊輸入為外部5V，輸出3.3V電源分別供給NodeMCU與MFRC522模塊；NodeMCU通過SPI總線的SDA（D4）、SCK（D5）、MOSI（D7）、MISO（D6）、RST（D3）與RFID模塊通信；指示燈LED_GREEN(D1)與LED_RED(D2)以及蜂鳴器Buzzer(D8)連接至NodeMCU的GPIO引腳，用于系統狀態指示與聲學提示；NodeMCU通過其內部WiFi模塊將考勤信息上傳至后端服務器。PCB在RFID讀寫區域需留出凈空區以保證天線性能，并在底層鋪設地銅用于散熱與射頻屏蔽。

第七章 元器件功能與選擇理由總結

本章節對章節中出現的所有關鍵元器件進行功能與選擇理由的匯總，便于讀者快速回顧與理解。

1. NodeMCU (ESP-12E 模塊)
   功能：集成WiFi與微控制器功能，負責系統邏輯控制、RFID讀寫交互、網絡通信與離線緩存管理。
   選擇理由：低成本、高性能、豐富的資源與GPIO接口，Arduino核心支持完善，開發便利；板載USB轉串口，調試與燒錄方便；內置WiFi協議棧，支持HTTP/MQTT等多種傳輸方式，滿足在線考勤系統對實時傳輸的需求。

2. MFRC522 RFID模塊
   功能：通過射頻方式識別ISO/IEC 14443A兼容的RFID卡片，輸出唯一UID串，供主控器件讀取以實現身份識別。
   選擇理由：NXP出品質量可靠，成熟的開源驅動庫，式樣成本低，體積小且集成了PCB天線，可實現近距離（2-5厘米）高效讀寫；功耗低，配合NodeMCU電源能力匹配良好。

3. AMS1117-3.3V 穩壓芯片
   功能：將外部5V電源降壓為穩定的3.3V電壓，為NodeMCU與RFID模塊提供電源；內部帶有過熱保護及過流保護。
   選擇理由：常用且成熟的線性穩壓器，體積小、性價比高，輸入端加裝10μF電解電容與0.1μF陶瓷電容可保證系統在WiFi高頻切換時電源穩定；輸出電流1A足以驅動ESP8266峰值電流需求；封裝方便散熱。

4. 74HC4050 電平轉換芯片
   功能：實現5V與3.3V電平之間的轉換，保護NodeMCU GPIO在輸入5V信號時不被燒毀。
   選擇理由：CMOS工藝、輸入電壓可達5V，輸出電平穩定在3.3V；提供6路通道，可滿足多路信號轉換需求；封裝緊湊，可預留用于未來模塊兼容或外接5V設備。

5. LED 指示燈（紅/綠）
   功能：指示系統狀態，如網絡連接狀態、考勤成功/失敗狀態。
   選擇理由：壽命長、功耗低、價格便宜，貼片式封裝可節省PCB空間，發光顏色醒目。

6. 有源蜂鳴器
   功能：對考勤結果進行聲學提示，增強用戶體驗。
   選擇理由：內置振蕩電路，驅動簡便，只需提供直流電壓（3.3V-5V），工作電流小，體積小易安裝；減少外圍電路設計。

7. USB轉TTL 芯片（CH340/PL2303）
   功能：用于開發調試階段，將NodeMCU的串口信號轉換為USB信號，便于IDE燒錄程序與串口調試輸出。
   選擇理由：成本低、兼容性好、多為NodeMCU開發板自帶，免去額外購買或焊接成本。

8. PCB（FR4 雙層板）
   功能：承載并連接各元器件，實現電氣互通、提供機械支撐；底層大面積鋪地銅用于散熱和射頻屏蔽。
   選擇理由：FR4材料性價比高，加工方便；雙層結構便于走線，RFID天線需要凈空區以避免金屬干擾；板厚1.6mm、銅厚35μm兼顧剛性與散熱。

第八章 系統功能測試與性能評估

在系統硬件與軟件開發調試完成后，需要對整機功能和性能進行全面測試，包括以下方面：

1. RFID讀寫性能測試
   測試內容：將多張不同廠商生產的13.56MHz RFID卡片依次靠近讀寫區域，測試系統能夠穩定識別的距離、識別速度和平均識別成功率。
   測試方法：使用不同品牌的MIFARE Classic 1K、MIFARE Ultralight卡片，對每種卡片在距離1cm、3cm和5cm三個距離處連續刷卡100次，記錄每次識別成功或失敗次數，并計算識別成功率。
   測試結果（示例）：

   結論：RFID模塊能夠在2-5cm范圍內穩定讀取卡片，識別速度在可接受范圍內，可滿足考勤業務需求。

• 1cm距離：100次識別成功，平均識別時間約為50ms；

• 3cm距離：98次識別成功，平均識別時間約為60ms；

• 5cm距離：90次識別成功，平均識別時間約為80ms；

2. WiFi網絡穩定性測試
   測試內容：在不同信號強度環境下，測試系統與后臺服務器的連接穩定性及長時間運行情況下的重連能力。
   測試方法：將設備放置在不同區域（距離路由器3m、10m、20m）進行連續48小時運行測試，期間每隔30秒自動讀取一次卡片并上傳，采用定期插入測試卡片以模擬考勤操作。記錄期間WiFi斷開次數、離線緩存次數以及離線緩存數據上傳成功率。
   測試結果（示例）：

   結論：在信號較好時（3m-10m），系統網絡通信穩定性良好；若信號較弱或環境復雜時易出現頻繁斷連，需通過優化路由器布局、增加設備旁路由器或改用ESP32 WROOM模塊以提升網絡穩定性。

• 距離3m：48小時內WiFi僅斷開2次，設備能在10秒內自動重連并繼續上傳，離線緩存上傳成功率100%；

• 距離10m：48小時內WiFi斷開10次，平均斷開持續10-30秒，離線緩存被成功上傳；

• 距離20m（穿兩堵墻）：48小時內WiFi斷開30次，單次斷開持續1-2分鐘，部分離線緩存因EEPROM容量接近上限被覆蓋，上傳成功率約95%。

3. 耗電與散熱測試
   測試內容：在滿載（頻繁考勤、WiFi持續通信）的情況下，測試系統整機功耗與穩壓模塊及MCU芯片表面溫度。
   測試方法：使用直流電源輸出5V電壓，通過萬用表測量系統電流；在25°C室溫環境下連續運行6小時后，用紅外測溫儀測量AMS1117與ESP8266表面溫度。
   測試結果（示例）：

   結論：系統功耗在可接受范圍內，AMS1117在高負載情況下發熱明顯，建議在PCB布局時預留散熱空間或增加散熱片；ESP8266在溫度50°C左右會進入溫度保護模式并降頻工作，可通過控制WiFi傳輸次數或改進散熱設計進行優化。

• 系統平均工作電流約為250mA，峰值約為350mA（WiFi高速數據傳輸時）；

• AMS1117穩壓模塊表面溫度約為45°C；ESP8266模塊表面溫度約為50°C；PCB局部測得最高溫度約為55°C。

4. 考勤準確性與容錯率測試
   測試內容：模擬實際考勤場景，統計整套系統在正常與異常（網絡斷開、卡片靠近過快、多人同時刷卡）情況下的識別準確性和數據完整率。
   測試方法：在多人使用場景中，安排10名用戶分別在同一考勤終端進行刷卡，高峰期平均每分鐘刷卡10次，連續測試8小時。記錄識別失敗次數、重復上傳次數、數據丟失次數等指標。
   測試結果（示例）：

   結論：在高峰時段，系統存在讀寫沖突問題，建議在實際應用中設置刷卡間隔或配備多個考勤終端分流；離線緩存策略可以保證高達98%以上數據完整率，但若需進一步提高可考慮使用SPIFFS文件系統或外部SD卡擴展存儲容量。

• 正常情況下（網絡良好、單人刷卡間隔≥5秒）：識別準確率100%，上傳成功率100%；

• 網絡異常情況下（WiFi斷開后），離線緩存共記錄800筆數據，重連時上傳成功787筆，13筆因EEPROM容量溢出丟失，數據完整率98.4%；

• 高峰期多人刷卡情況下，若同一時間段有兩人同時將卡片靠近天線，由于讀寫模塊采用單線操作，實際只能識別一張卡，另一次操作會提示“讀取失敗”并蜂鳴長響，提示用戶請錯開時間，一個接一個地刷卡。

第九章 系統擴展與改進建議

盡管本系統已在短時間內完成了在線考勤的核心功能與基本性能測試，但在實際部署與后續維護中可結合需求進行以下方面的改進與擴展：

1. 升級至ESP32 WROOM模塊
   ESP32相比ESP8266具有雙核處理器、更大SRAM、更豐富的GPIO與更強的WiFi/藍牙功能，可在多人同時刷卡、高頻率網絡通信時保持更穩定性能；同時ESP32還支持BLE，可與手機APP或BLE標簽進行通訊，實現移動端考勤與數據交互。

2. 增加OLED顯示屏或觸摸屏
   在考勤終端上增加大小適宜的OLED屏幕或LCD屏幕，能夠在用戶刷卡時實時顯示“歡迎XXX，考勤成功”或“刷卡失敗，請重試”等提示文字，大幅提升用戶體驗；若使用觸摸屏，還可在設備上實現本地用戶注冊或人員信息查看功能，減少后臺操作依賴。

3. 增加攝像頭模塊
   可在刷卡時自動拍照，將照片與考勤信息同時上傳至服務器，用于人臉比對或考勤核對，以防止員工代刷或學生代刷等作弊行為。建議使用OV2640攝像頭模塊，通過SPI或I2C接口與主控通信，并利用ESP32串口上行傳輸JPEG數據。

4. 移動端與Web端考勤管理系統完善
   后端可基于Node.js、Spring Boot或Django框架重構，以提供更高效的RESTful API；前端可使用Vue.js或React.js技術棧開發考勤管理界面，并實現權限管理、報表生成、異常提醒、數據導出等功能；手機App端可采用Flutter或React Native快速開發跨平臺移動應用，實現人員信息查詢、歷史考勤記錄瀏覽、通知提醒等功能模塊。

5. 安全與加密機制優化
   考慮到考勤數據的隱私性與安全性，建議在數據上傳時采用HTTPS協議傳輸，并在客戶端和服務器之間進行雙向證書驗證；同時在RFID卡片中存儲一定加密信息，通過安全算法驗證身份真實性；在本地緩存時對離線數據進行AES對稱加密，降低數據泄露風險。

6. 異步消息機制與負載均衡
   在覆蓋大范圍考勤場景時，可將多個RFID考勤終端通過MQTT協議與MQTT Broker通信，將考勤信息發布至主題，并在后臺訂閱該主題，實現數據異步傳輸與處理；在高并發場景下可采用分布式服務器集群與負載均衡技術，保證系統高可用與高性能。

第十章 結論

本技術文檔詳細闡述了基于RFID模塊的在線考勤系統的設計思路、硬件選型、元器件優選與功能說明、軟件設計與主要代碼實現以及系統功能測試與性能評估。從整體設計角度來看，系統采用NodeMCU（ESP-12E）作為主控單元，MFRC522作為RFID讀寫器，AMS1117實現穩定電源供應，搭配LED與蜂鳴器對狀態進行可視與聽覺提示；軟件方面通過Arduino IDE對系統進行二次開發，利用MFRC522開源庫與ESP8266 WiFi庫實現RFID卡片識別、考勤數據打包、網絡通信與離線緩存等核心功能。測試結果表明，系統能夠在多種環境下實現穩定的考勤功能，并具有一定的離線緩存與數據補傳能力，滿足小型企業或學校日?？记谛枨?。

在實際部署運營過程中，可根據實際場景對系統進行進一步優化與功能擴展，例如升級硬件到ESP32平臺、增加顯示與攝像頭模塊、完善后端與移動端管理系統、強化數據安全機制等，提升系統的易用性、安全性與擴展性。通過本文檔提供的詳細硬件選型理由與軟件實現步驟，開發者能夠快速搭建并部署一套完整的RFID在線考勤系統，并在此基礎上根據實際業務需求進行二次開發與迭代，最大化發揮系統優勢，為企事業單位考勤管理帶來便捷、高效和可視化的解決方案。