開放實驗室無線門禁系統與智能電源插座設計

摘 要：針對高校開放實驗室智能化管理的需要，運用射頻識別技術和無線傳感器網絡技術，設計了一種無線門禁系統與智能電源插座，實現了開關門和實驗臺電源的無線智能控制，應用于高校開放實驗室，從而大大提高了實驗室的智慧化管理水平。

關鍵詞：開放實驗室；RFID；ZigBee；無線門禁；智能插座

中圖分類號：TP301.6文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0034-04

0引言

隨著高校實驗教學改革的逐步深入，開放實驗室的管理工作變得更加繁重、復雜且更具挑戰性。實現開放實驗室的智能化管理，可以減輕實驗室管理人員的工作負擔，提供工作效率和服務水平，加強實驗室主管部門對設備和材料的計劃、采購、維修和使用的宏觀控制和管理。傳統的開放實驗室信息管理系統，為實現開放教學的便利和安全，加強了對實驗室門禁的智能化控制和管理，這就使得連接控制設備的線路變得復雜。同時，開放實驗室增加學生實驗的“自由度”，往往會導致學生“分散”到實驗室做實驗或某一時段同時進入實驗室做實驗的情況，導致學生和實驗室設備使用之間的矛盾[1，2]。

本文基于RFID和ZigBee技術[3，4]，設計了一種無線門禁系統與電源智能插座，重點解決開放實驗室建設中布線困難以及學生和實驗室設備使用之間的矛盾問題，同時，將門禁系統和開放實驗室管理有機地結合起來，以實現開放實驗室的智能化管理[5，6]。

1系統組成與功能

本系統的組成框圖如圖1所示，系統主要由控制中心、無線門禁系統和智能電源插座三部分構成?？刂浦行挠蒔C機、協調器節點以及相應應用軟件組成。協調器通過ZigBee無線傳感器網絡與門禁系統和電源插座終端節點通信，負責ZigBee無線傳感網絡的發起、路由維護以及數據的上傳、指令的下發等?？刂浦行牡南嚓P指令、信息和數據通過協調器節點無線傳輸給門禁系統或智能電源插座終端節點，以實現對門禁系統和電源的控制與管理；同時，協調器節點接收門禁系統和電源插座終端節點的感知信息和反饋數據，以便控制中心根據事先設定的程序進行控制。

圖1系統組成框圖

無線門禁系統由RFID讀卡器、門禁系統終端節點和電磁鎖等組成。RFID讀卡器負責射頻卡的讀寫，門禁系統終端節點將讀卡器的識別信息傳輸給控制中心進行身份認證和開鎖條件判別，當滿足開鎖條件時，LCD顯示分配的實驗臺號和相關信息，同時給電磁鎖發出開鎖指令。電磁門鎖接到開鎖指令后開鎖，延遲預設時間后自動關閉。門開關檢測電路，監測實驗室大門的開關狀態，當大門超過預設時間，長時間打開時，通過預先設置的程序，給實驗室管理員發出報警信號；同時，當實驗室大門打開時，可以加裝視頻監控系統，進行抓拍或錄像，以記錄實驗室人員的進出情況，限于篇幅，本文略去此部分功能的描述。

智能電源插座由電源插座終端節點和實驗臺電源插座組成，當符合條件的人員進入實驗室時，控制中心開啟所分配的實驗臺電源，人員出實驗室時再次刷卡關閉電源。智能電源插座設有過流保護電路，當意外觸發、違規操作造成電源短路或過載時，系統及時提供報警信息并自動關閉該插座電源，不影響其他人正常進行實驗。

2系統硬件設計

限于篇幅，本系統的硬件設計部分略去了直流電源、LCD顯示模塊和門開關檢測電路的設計描述。

2.1協調器和終端節點硬件設計

協調器節點、門禁系統終端節點和智能插座終端節點均以凌陽愛普公司（Sunplussap）的CC2530模塊為核心器件構成，其無線射頻模塊的管腳圖如圖2所示。其管腳主要包括電源：Vcc（3.3 V），地GND，復位端RSIN（低電平有效），和可編程I/O口：包括P0.0～p0.7、P1.0~P1.7、P2.0～P2.2等。

CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的第二代片上系統解決方案；它結合了高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器，具有優良的無線接收靈敏度和抗干擾性；集成了一個高性能、低功耗的標準增強型8051 CPU內核，用于搭建功能健全、價格低廉的網絡節點。CC2530芯片包含21個通用IO口，具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個支持多種串行通信協議的強大USART。USART 0和USART 1每個被配置為一個SPI主/從或一個UART。它們為RX和TX提供了雙緩沖，以及硬件流控制，因此非常適合于高吞吐量的全雙工應用。

圖2Sunplussap CC2530模塊管腳圖

2.2協調器節點設計

協調器節點通過串口與PC機通信，通過CC2530與終端節點通信。其基本組成包括串行通信模塊和CC2530模塊，串行通信模塊的原理電路如圖3所示。

圖3串口通信模塊電路圖

串口通信電路的核心器件是SPCP825A，它是USB轉UART的單芯片解決方案，集成了一個符合USB1.1標準的全速功能控制器、緩沖器和帶有調制解調器接口信號的異步串行數據總線（適用于RS-232協議），同時具有一個集成的內部時鐘和USB收發器，無需其他外部USB電路元件。

本文通過CC2530的P0.2和P0.3分別與SPCP825A的TXD和RXD連接，以實現串口通信。

2.3門禁系統終端節點設計

門禁系統終端節點由RFID模塊和CC2530模塊組成，電路圖如圖4所示。其中，RFID模塊采用MF522-AN讀卡模塊，其管腳功能如下：

圖4門禁終端節點電路圖

SS：從機標志管腳；SCK ：SPI串行時鐘輸入；MOSI ：SPI主出從入；MISO ：SPI主進從出；NCC：空腳；GND：地；RST：復位；Vcc：+3.3 V電源。

該模塊以MFRC522為核心器件，集成了13.56 MHz所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，支持ISO14443A的多層應用，其內部發送器部分可驅動讀寫器天線與 ISO14443A/MIFARE卡和應答機的通信，無需其它的電路。接收器部分包括調制和解碼電路，用于處理ISO1443A兼容的應答器信號。數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證MIFAER系列產品。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424 Kb/s。復位上電以后，在默認情況下，CC2530的配置為SPI主模式，不需要額外修改配置，SPI總線為上升沿觸發。

構成本門禁系統終端節點時，MF522-AN模塊的接口SS、SCK、MOSI、MISO、RST分別與CC2530管腳P1.7、P0.1、P1.2、P0.4、P0.5連接。

采用RM-280型電磁鎖，外接+12 V電源即可開鎖。采用SRD-05VDC-SL-C固態繼電器進行電源開關控制，其信號輸入端與CC2530的P0.6連接，當門禁系統終端節點接收到開鎖指令時，P0.6輸出高電平，固態繼電器常開節點閉合，電磁鎖接通電源開鎖。

2.4電源插座終端節點設計

電源插座終端節點由CC2530模塊、LG-ETCAC10AK型過流保護模塊和SRD-05VDC-SL-C型固態繼電器組成，如圖5所示。

圖5電源插座終端節點電路圖

正常工作時，AC 220 V通過流保護模塊繼電器的常閉節點接入固態繼電器的公共端，固態繼電器的控制輸入端（IN）與CC2530模塊的P1.4連接，當P1.4為高電平時，固態繼電器常開節點閉合，電源插座輸出220 V交流電。當工作電流大于設定閾值時，過流保護模塊的繼電器連接AC 220 V的常閉節點將自動斷開，從而實現過流保護；當工作電流恢復到設定閾值以下時，繼電器常閉節點閉合，恢復正常供電。

3系統軟件設計

限于篇幅，軟件設計部分本文只針對協調器節點、門禁系統終端節點和電源插座終端節點進行軟件設計，而略去應用系統的軟件設計。

3.1協調器節點軟件設計

協調器節點的軟件流程圖如圖6所示。首先，協調器節點初始化，組建ZigBee網絡，為數據的發送和接收構建立無線通信環境；第二步，等待事件任務發生，檢查是否收到終端節點數據或者控制中心指令；第三步，將收到的終端節點的數據轉發給控制中心，或者將控制中心的指令轉發給終端節點。

圖6協調器節點軟件流程圖

3.2門禁系統終端節點軟件設計

門禁系統終端節點軟件流程圖如圖7所示。

圖7門禁系統終端節點軟件流程圖

首先，門禁系統終端節點完成初始化，并加入協調器節點發起的ZigBee網絡，為數據的發送和接收建立無線通信環境；第二步，等待接收RFID的讀卡數據或控制中心的指令。若是RFID的讀卡數據，則將數據通過協調器節點發送給控制中心；若是控制中心的指令，則判斷是開鎖還是閉鎖指令，若是閉鎖指令，則關閉電磁鎖，并通過LCD顯示相應提示信息；若是開鎖指令，則打開電磁鎖，并顯示相應的提示信息；第三步，當處于開鎖狀態時，監測實驗室大門的開關狀態，當大門超過預設時間，給實驗室管理員發出報警信號，并將報警信息發送給控制中心。

控制中心設有數據庫，負責數據庫的建立、刪除、查詢和維護。當收到門禁系統終端節點的識別信息時，將其與數據庫的數據進行比照，進行身份認證，若認證通過，并且符合開門的預設條件（如實驗臺空閑、設備工作正常等），則發送開鎖指令和相應的提示信息；否則，發送閉鎖指令和相應的提示信息。同時，可以通過記錄實驗臺電源的開啟與關閉時間，自動統計設備的使用時間，計算設備的利用率等。

3.3電源插座終端節點軟件設計

電源插座終端節點軟件流程圖如圖8所示。首先，電源插座終端節點完成初始化，使其處于斷電狀態，并加入協調器節點發起的ZigBee網絡，為數據的發送和接收建立無線通信環境。第二步，等待接收控制中心的指令，若接收到上電指令，電源插座終端節點控制插座上電。當意外觸發、違規操作造成電源短路或過載時，插座終端節點自動關閉該插座電源，提供過流保護，發出報警信號；同時，將過流狀態信息發送給控制中心。若接收到斷電指令，則斷開插座電源。

圖8電源插座終端節點軟件流程圖

4系統調試

將軟件編寫完成以后，可下載到協調器節點、門禁系統終端節點和電源插座終端節點，然后進行測試：

（1）RFID讀卡器能夠正確讀卡，且能夠將讀卡數據傳輸給協調器節點；協調器節點可以轉發讀卡數據給控制中心，同時，能夠接收控制中心的控制指令和相關信息，將其發送給門禁終端節點；

（2）門禁系統終端節點接收到控制中心的開/閉鎖指令和相關信息，可以控制電磁鎖的打開/關閉，并通過LCD顯示相關的提示信息；

（3）門禁終端節點可以檢測門的開關狀態，當電磁鎖處于開鎖狀態，且門打開時間超過預設時間時，可以發出報警，并將報警信息發送給協調器節點，再由協調器節點轉發給控制中心；

（4）控制中心給門禁終端節點發出開鎖指令時，同時給指定編號的電源插座終端節點發出上電指令。對應的電源插座終端節點接收到上電指令，能夠接通電源；若電路出現過流，插座可以自動斷電，且可以將對應的電源插座編號和過流信息發送給控制中心；

（5）控制中心給指定編號的電源插座終端節點發出斷電指令時，對應的電源插座終端節點能夠正確接收指令，并關斷電源。

5結語

本文介紹了針對高校開放實驗室的無線門禁系統與智能電源插座的硬件設計以及軟件設計過程。通過RFID和ZigBee技術，本系統可以滿足開放實驗室智能化管理的基本硬件系統要求。當然，本系統需要與具體的應用程序配合才能在管理系統中最大限度地發揮其作用，限于篇幅，系統的應用軟件設計將另外撰文進行介紹。

本門禁系統終端節點與電源插座終端節點均采用ZigBee技術，可以很方便地與其它智能感知節點（如溫濕度、煙霧、雨滴等感知節點）結合，并利用物聯網技術，實現開放實驗室的智慧化管理。

參 考 文 獻

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