基于身份識(shí)別的交互性智能無(wú)人變電站門禁系統(tǒng)研制

國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司九江供電分公司 曹 怡 胡曉斌 徐 波 黃 翔 余 斐 劉新偉 柳 華 胡怡沛 葉 莎

針對(duì)目前變電站常規(guī)鎖存在的許多弊端，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IC卡的身份識(shí)別及登記裝置、管理著“明碼與暗碼”的控制裝置、通過(guò)明碼檢索暗碼的電子鑰匙管理系統(tǒng)和物理鎖組成的交互性智能變電站門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)“明碼與暗碼”的控制裝置和“非聯(lián)網(wǎng)型”電子鑰匙管理系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件相互配合，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員“隨時(shí)隨地”遠(yuǎn)程許可變電站工作人員開(kāi)門，節(jié)省公司的人力、物力和財(cái)力。此外，本系統(tǒng)采用電子鑰匙和物理鑰匙兩種方式開(kāi)鎖，在電子鑰匙出現(xiàn)故障的緊急情況下，可使用物理鑰匙開(kāi)鎖，這極大地提高了開(kāi)鎖的可靠性。并且變電站管理機(jī)及后臺(tái)機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)控該門禁系統(tǒng)的刷卡信息和運(yùn)行狀態(tài)，以便于維護(hù)和檢修。本文所設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)，且達(dá)到預(yù)期效果。

0 引言

本文專門針對(duì)無(wú)人值守變電站研發(fā)的一款互動(dòng)性智能門禁系統(tǒng)，與九江市裕豐維操站合作并試點(diǎn)運(yùn)行，裕豐維操站目前管理著包括220kV裕豐變電站在內(nèi)的10多個(gè)無(wú)人值守變電站。變電站常規(guī)鎖存在的一些弊端：變電站存在許多不需要運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的工作，然而運(yùn)維人員必須到變電站只為工作人員開(kāi)門，浪費(fèi)了公司的人力、物力和財(cái)力，特別是目前每個(gè)維操站的值班人員僅僅只有4-5人左右，工作壓力較大；維操站管理的變電站鑰匙過(guò)多，不便于管理，易丟失，運(yùn)維人員需浪費(fèi)大量的時(shí)間尋找；變電站大門、高壓室和主控室“一匙通”存在借用頻繁，鑰匙容易丟失及責(zé)任無(wú)法追究等風(fēng)險(xiǎn)；常規(guī)鎖無(wú)法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控（陳丹.公寓智能門鎖管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2016）。本文設(shè)計(jì)的變電站門禁系統(tǒng)針對(duì)上述弊端的解決方案如下：運(yùn)維人員可以遠(yuǎn)程“隨時(shí)隨地”許可工作人員開(kāi)門，不僅能避免運(yùn)維人員來(lái)回奔跑，而且工作人員也能更高效地工作；變電站門禁系統(tǒng)采用“電子鑰匙”進(jìn)行開(kāi)鎖，避免了鑰匙管理混亂，節(jié)約找鑰匙的時(shí)間（馬園園.人臉識(shí)別技術(shù)與考勤系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2017;郜幔幔,歐陽(yáng)森,王克英.變電站空調(diào)和照明系統(tǒng)節(jié)電改造優(yōu)化建模研究[J].電工電能新技術(shù),2016,35(09):60-66;沈瑜,岳園園,張一戈,等.智能用電技術(shù)路線圖規(guī)劃與技術(shù)評(píng)估跟蹤管理[J].電工電能新技術(shù),2016,35(03):54-61.）；變電站門禁系統(tǒng)基于公司飯卡的IC卡（存儲(chǔ)姓名、編號(hào)及部門等信息）對(duì)進(jìn)入變電站工作人員進(jìn)行身份識(shí)別及登記，以便責(zé)任可追究（馬祥,黃冬林,李貽,等.基于51單片機(jī)的非接觸式lC門禁卡設(shè)計(jì)[J].電子世界,2017,18:102-103）；變電站門禁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)能實(shí)時(shí)被監(jiān)控，如發(fā)生故障可及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與更換（徐生.基于微信硬件平臺(tái)的酒店只能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2017）。

1 變電站門禁系統(tǒng)組成及通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 變電站門禁系統(tǒng)組成部分

變電站門禁系統(tǒng)主要分為身份識(shí)別及登記裝置、控制裝置、電子鑰匙管理系統(tǒng)和物理鎖四大模塊（黃兢輝.智能監(jiān)控與智能門禁安防系統(tǒng)構(gòu)建[D].南寧:廣西大學(xué),2017;K.U.Maheswari and J.K.Chaithanya,An ARM based Door Phone Embedded System for Voice and Face Identification and Verification by Open CV and Qt GUI Framework,International Journal of Computer Applications(0975-8887),vol.91,no.13,April 2014;姚偉偉,姚玲,解振永.基于TCP/IP的智能門禁控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技,2017,13(30):176-177），組成部分如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。工作人員進(jìn)行身份識(shí)別及登記后，再通過(guò)控制裝置執(zhí)行運(yùn)維人員的指令，利用電子鑰匙(運(yùn)維人員提供暗碼作為電子鑰匙)進(jìn)行開(kāi)門。

圖1 變電站門禁系統(tǒng)組成部分

圖2 變電站門禁系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)以裕豐維操站例，如圖3所示。裕豐變電站每個(gè)區(qū)域的門禁系統(tǒng)（大門、主控室、繼保室等）通過(guò)485協(xié)議通信將變電站工作人員刷卡情況上至本地門禁系管理機(jī)和維操站門禁系統(tǒng)管理機(jī)中，并且運(yùn)維人員可以在維操站門禁系統(tǒng)管理機(jī)上遠(yuǎn)程控制變電站每個(gè)區(qū)域門禁系統(tǒng)（黃輝,喻強(qiáng),陳翰,等.終端通信通入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源分配策略研究[J].電子器件,2017,02(40):425-429）。裕豐維操站管理的其它無(wú)人值守變電站與裕豐變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)類似，就不一一說(shuō)明。

2 變電站門禁系統(tǒng)主要內(nèi)容

2.1 身份識(shí)別及登記裝置

可采用人臉識(shí)別、指紋識(shí)別裝置進(jìn)行身份識(shí)別及登記，這也是目前市場(chǎng)上普遍采用的身份識(shí)別及登記裝置。但該身份識(shí)別及登記裝置成本較高，本文采用公司員工的IC卡進(jìn)行身份識(shí)別及登記裝置，如圖4所示。IC卡儲(chǔ)存著員工的基本信息（姓名、所屬部門等），最關(guān)鍵的是不需要技術(shù)人員經(jīng)常到變電站現(xiàn)場(chǎng)更新其數(shù)據(jù)，這樣大大降低了裝置成本。該IC卡身份識(shí)別及登記裝置為某公司的現(xiàn)成品，刷卡登記的數(shù)據(jù)可以選擇利用485串口協(xié)議與變電站管理主機(jī)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站每個(gè)門禁刷卡的情況；也可以選擇采用SD卡存儲(chǔ)每個(gè)門禁刷卡的信息，這樣比較麻煩，但成本會(huì)相對(duì)減小。

圖3 裕豐維操站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

圖4 身份識(shí)別及登記裝置

2.2 控制裝置

2.2.1 控制裝置簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)的控制裝置主要是STM32或51單片機(jī)芯片對(duì)其進(jìn)行控制（馬巧梅.基于STC89C52的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制與自動(dòng)化,2017,46(05):235-238;Chi-Huang Hung,Ying-Wen Bai,Je-Hong Ren,Design and Implementation of a Door Lock Control Based on a Near Field Communication of a Smartphone,978-1-4799-8745-0/15/31.00,2015 IEEE），管理著一一對(duì)應(yīng)的“明碼與暗碼”，這也是本系統(tǒng)核心部分，如圖5所示。該控制裝置的控制開(kāi)門流程如下：工作人員在變電站門口進(jìn)行身份識(shí)別及登記后，控制裝置上會(huì)隨機(jī)地顯示四位數(shù)字的明碼，工作人員通過(guò)社交軟件（電話、微信等）將顯示出的明碼發(fā)送給運(yùn)維人員；運(yùn)維人員通過(guò)“電子鑰匙管理系統(tǒng)”（一款非聯(lián)網(wǎng)型的手機(jī)APP軟件），將四位數(shù)字的明碼輸入，則相應(yīng)的電子鑰匙（四位數(shù)字的暗碼）就會(huì)顯示出來(lái)，并將暗碼發(fā)送給工作人員，工作人員在控制裝置上輸入正確的暗碼，即可開(kāi)鎖。

圖5 控制裝置實(shí)物圖

開(kāi)鎖后1min鐘之內(nèi)工作人員必須進(jìn)入變電站，否則門重新關(guān)閉，這樣可以防止非工作人員偷偷潛入，給變電站正常運(yùn)行造成不確定的因素。工作人員進(jìn)行身份識(shí)別及登記后，10min之內(nèi)必須輸入正確的暗碼，否則需重新進(jìn)行身份識(shí)別及登記，主要目的是節(jié)約電和避免非許可人員亂按鍵解鎖。工作人員在輸入正確的暗碼后，8h內(nèi)不必再次讓運(yùn)維人員許可開(kāi)門，只需進(jìn)行身份識(shí)別及登記，和輸入第一次的暗碼既可開(kāi)鎖，目的主要是避免工作人員出去吃飯，回來(lái)還需要再次許可開(kāi)門，造成不必要的麻煩。

2.2.2 控制裝置原理

控制裝置的原理圖如圖6所示。該控制裝置的電源采用交流饋線屏1引入220V交流電，經(jīng)過(guò)AC/DC整流模塊變換為12V的直流電，分為三路：一路給身份識(shí)別及登記裝置供電，一路給物理鎖供電，最后一路經(jīng)DC/DC直流模塊變換為5V的直流電給控制裝置供電。為了保證當(dāng)交流失電的情況下該控制裝置還能持續(xù)運(yùn)行10h以上，于是在12V的直流電之間并聯(lián)了一組12V的鋰電池。P0.0與P0.1作為身份識(shí)別輸入管腳，兩者互為備用，增加身份識(shí)別的可靠性；P0.2、P0.3和P0.4作為138譯碼器的輸入管腳，控制數(shù)碼管的8位公共腳，P1輸出數(shù)碼管需要顯示的數(shù)值；P0.5和P3.1作為電子鑰匙輸出管腳，且兩者互為電子鑰匙的備用輸出管腳，增加開(kāi)鎖的可靠性，通過(guò)控制KSJ1和KSJ2繼電器的通斷來(lái)控制物理鎖的開(kāi)啟，同時(shí)P3.0作為電子鑰匙的輸出指示燈管腳；P0.7為物理鎖開(kāi)啟狀態(tài)輸入管腳，同時(shí)P0.6為物理鎖開(kāi)啟狀態(tài)的輸出指示燈管腳；P3.2為裝置異常的輸出管腳，同時(shí)P3.3為裝置異常的輸出指示燈管腳；P2為16位矩陣按鍵的管腳，可通過(guò)其輸入四位數(shù)字的暗碼。

圖6 控制裝置原理圖

2.2.3 門禁系統(tǒng)遙信回路

門禁系統(tǒng)的遙信回路如圖7所示。將門禁的信號(hào)（直流電源消失、交流電源消失、開(kāi)鎖回路啟動(dòng)等）以硬接點(diǎn)的方式接到變電站公共測(cè)控屏遙信端子上，通過(guò)后臺(tái)機(jī)來(lái)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，便于維護(hù)與檢修。也可以在變電站設(shè)一個(gè)單獨(dú)測(cè)控裝置，專門監(jiān)控變電站每個(gè)區(qū)域的門禁系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖7 門禁系統(tǒng)遙信回路

2.3 電子鑰匙管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款手機(jī)APP軟件對(duì)“電子鑰匙”進(jìn)行管理，運(yùn)維人員利用這款手機(jī)APP軟件通過(guò)輸入明碼查找暗碼，從而對(duì)進(jìn)入變電站的工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程許可(通過(guò)電話發(fā)送暗碼)開(kāi)鎖。該電子鑰匙管理系統(tǒng)分為兩部分：一部分是管理區(qū)，可以修改或增加明碼對(duì)應(yīng)的暗碼，每個(gè)維操站都配備對(duì)應(yīng)不同的明碼與暗碼，如圖8所示；另一部分為用戶區(qū)，分為賬戶登入界面和明碼檢索暗碼界面，如圖9所示。

圖8 電子鑰匙管理系統(tǒng)管理區(qū)

圖9 電子鑰匙管理系統(tǒng)用戶區(qū)

3 試驗(yàn)結(jié)果

變電站門禁系統(tǒng)的開(kāi)門演示如下：工作人員到變電站身份識(shí)別及登記后，控制裝置會(huì)隨機(jī)地顯示5110的明碼，如圖10所示，再通過(guò)電話聯(lián)系運(yùn)維人員，并告訴其顯示四位數(shù)字的明碼；運(yùn)維人員則登入自己的“電子鑰匙管理系統(tǒng)”的賬號(hào)及密碼，并在電子鑰匙管理系統(tǒng)“搜索界面”尋找四位數(shù)字的明碼對(duì)應(yīng)的暗碼，如圖11所示，運(yùn)維人員通過(guò)電話聯(lián)系工作人員，并告訴搜索的四位數(shù)字的暗碼；工作人員在控制裝置上輸入明碼對(duì)應(yīng)的7001暗碼，即可開(kāi)鎖，同時(shí)點(diǎn)亮左邊的led燈，如圖12所示。

圖10 控制裝置顯示的明碼

圖11 明碼對(duì)應(yīng)的暗碼

圖12 控制裝置顯示的明碼對(duì)應(yīng)的暗碼

4 結(jié)論

4.1 項(xiàng)目成效與應(yīng)用前景

(1)本系統(tǒng)的使用在一定程度上緩解了目前任務(wù)多、運(yùn)維人員不夠的難題，避免了在人力、物力和財(cái)力上不必要的浪費(fèi)。可以電話許可等不需要運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)的工作任務(wù)，運(yùn)維人員可以遠(yuǎn)程“隨時(shí)隨地”許可工作人員開(kāi)門，避免了工作人員的等待時(shí)間，提高了工作效率。

(2)變電站管理機(jī)通過(guò)485串口能實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站每個(gè)區(qū)域的門禁系統(tǒng)刷卡情況，達(dá)到對(duì)進(jìn)入變電站工作人員的有效監(jiān)控。并且將門禁系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)(裝置異常、裝置失電、開(kāi)鎖回路啟動(dòng)等)以硬接點(diǎn)的方式接到變電站公共測(cè)控屏遙信端子上，通過(guò)后臺(tái)機(jī)來(lái)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，便于維護(hù)與檢修。

(3)本系統(tǒng)可以根據(jù)變電站每個(gè)區(qū)域不同的要求，設(shè)計(jì)不同的功能，這樣可以節(jié)約成本，使其更加高效地工作。例如，變電站主控室的門禁系統(tǒng)相比大門的門禁系統(tǒng)并不需要“運(yùn)維人員許可”這項(xiàng)功能，從而可以減少許多不必要的元器件，工作人員可以直接刷IC卡進(jìn)行身份識(shí)別及登記進(jìn)入。

(4)電子鑰匙管理系統(tǒng)的使用，避免了變電站的鑰匙管理混亂，“一匙通”借用頻繁、丟失等問(wèn)題。

(5)本系統(tǒng)采用電子鑰匙和物理鑰匙兩種方式開(kāi)鎖，在電子鑰匙出現(xiàn)故障的緊急情況下，可使用物理鑰匙開(kāi)鎖，這極大地提高了開(kāi)鎖的可靠性。

目前與裕豐220kV變電站進(jìn)行合作，逐步更換變電站的門禁（包括大門、主控室和高壓室等），最終目標(biāo)是更換整個(gè)江西變電站、乃至全國(guó)變電站的常規(guī)鎖。該交互性智能變電站門禁系統(tǒng)相比常規(guī)鎖增加了投資成本，但可以使變電站更加智能、安全可靠，管理更加方便。