實(shí)驗(yàn)室無線智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/劉煜 武辰 王嘉宇

門禁系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械鎖、電磁鎖、密碼鎖、IC卡電子鎖、信息鎖、生物鎖。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)向著網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展，門禁系統(tǒng)已超越了單純的門道及鑰匙管理，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。市場上智能門禁系統(tǒng)種類繁多，主要是使用射頻卡和靜態(tài)密碼的門禁系統(tǒng)。

目前市場上的門禁系統(tǒng)基本上是完成進(jìn)出控制功能，而且使用成本較高，不能滿足實(shí)驗(yàn)室日常管理需求。鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室使用傳統(tǒng)的機(jī)械門鎖，實(shí)驗(yàn)室管理員同時(shí)管理多個(gè)實(shí)驗(yàn)室鑰匙，管理員出差或請(qǐng)假時(shí)實(shí)驗(yàn)室的使用就會(huì)滯后，實(shí)驗(yàn)室管理工作強(qiáng)度大、效率低。日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鑰匙難免會(huì)流落出管理范圍，實(shí)驗(yàn)室的安全得不到有效保障。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室管理狀況，研發(fā)設(shè)計(jì)一款針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室易于大規(guī)模普及的智能門禁系統(tǒng)。為實(shí)驗(yàn)室出入管理和用電安全提供高品質(zhì)的安全防護(hù)，并作進(jìn)一步推廣。

1 實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)的研究

本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室智能化管理。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用STM32處理器為主控制器，門鎖部分使用動(dòng)態(tài)密碼完成控制，安全性極高；管理員與門鎖的通信使用網(wǎng)絡(luò)通信，不僅滿足管理需求，還大大降低開發(fā)成本；設(shè)計(jì)基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)APP，管理員使用APP向門鎖發(fā)送開關(guān)門鎖指令，指令通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送到門鎖控制系統(tǒng)；管理員還能時(shí)刻通過APP查看實(shí)驗(yàn)室電源是否關(guān)閉，及時(shí)的遠(yuǎn)程關(guān)閉電源。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，它的使用不僅能減輕管理人員工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率，還能加強(qiáng)出入管理和用電安全，因此研究實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)具有及其重要的意義。

2 整體方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)以STM32控制器為核心，采用矩陣鍵盤和顯示屏為人機(jī)交互界面。管理員可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程對(duì)實(shí)驗(yàn)室門禁和電源進(jìn)行控制。當(dāng)管理者發(fā)出允許開鎖指令后，5分鐘之內(nèi)按下開鎖按鈕，屏幕顯示隨機(jī)生成的6位數(shù)字密碼，正確輸入后門鎖打開；若輸入錯(cuò)誤，隨機(jī)密碼刷新，等待再次輸入；直至三次輸入錯(cuò)誤或超過限定時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有管理員才能再次喚醒。管理員還能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否斷電，對(duì)實(shí)驗(yàn)室電源進(jìn)行控制。該智能門禁系統(tǒng)可為實(shí)驗(yàn)室提供足夠安全的財(cái)產(chǎn)保障和用電安全，還能減輕管理員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

圖1

該智能門禁系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為六個(gè)模塊，分別是STM32最小系統(tǒng)、無線通信模塊、門鎖驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)驗(yàn)室電源控制模塊、人機(jī)交互界面、系統(tǒng)電源。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 主控及電源模塊

根據(jù)控制要求，智能門禁系統(tǒng)采用STM32F103控制器作為主控芯片，該芯片具有3個(gè)USART串口、3個(gè)16位定時(shí)器、51個(gè)多功能雙向I/O口等, 開發(fā)者可以利用其豐富的內(nèi)部資源和外設(shè)資源進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā), 更重要的是功耗低, 非常適合對(duì)功耗敏感的智能家居、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用。

整個(gè)系統(tǒng)采用12V直流電源，在有電情況下使用電源適配器供電，短時(shí)停電情況下用鋰電池做緊急供電。各模塊通過降壓處理后分別供給5V和3.3V。

2.2 無線通信模塊

為了使無線門禁系統(tǒng)并使其具有更高的靈活性，因此使用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)普及，受地理環(huán)境的影響小，且成本低，可以完全實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境擴(kuò)展門禁系統(tǒng)服務(wù)功能。

2.3 人機(jī)交互模塊

為了降低使用成本，采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管作為動(dòng)態(tài)密碼顯示設(shè)備，4×4矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，具有性價(jià)比高，經(jīng)久耐用的特點(diǎn)。STM32生成6位密碼后通過串口傳輸將密碼顯示出來，矩陣鍵盤采集輸入數(shù)字，傳回STM32進(jìn)行比對(duì)。

2.4 門鎖驅(qū)動(dòng)模塊

圖2

為了控制精度與靈活性，采用步進(jìn)電機(jī)來撥動(dòng)鎖芯完成開門、鎖門。經(jīng)過巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，在可以靈活應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)控制鎖舌的同時(shí)，還可以采用鑰匙緊急開鎖，可以解決長時(shí)間停電時(shí)的開鎖問題。

2.5 實(shí)驗(yàn)室電源控制模塊

實(shí)驗(yàn)室的及時(shí)斷電是十分關(guān)鍵的，采用繼電器來控制實(shí)驗(yàn)室的電源通斷。管理員可以使用APP實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室電源情況，遠(yuǎn)程通過繼電器及時(shí)打開、關(guān)閉電源，避免發(fā)生事故。

3 程序設(shè)計(jì)

程序在系統(tǒng)上電后對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，包括GPIO端口、STM32時(shí)鐘、TIM定時(shí)器、USART串口通信等底層硬件配置，對(duì)通信模塊、顯示和輸入設(shè)備進(jìn)行初始化。然后等待通信模塊傳輸過來的信號(hào)，若信號(hào)符合規(guī)范且在指令范圍內(nèi)，則程序跳入相應(yīng)的子程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制。智能門禁系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語

本次研究根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)的實(shí)際需求，結(jié)合當(dāng)前流行的手機(jī)客戶端應(yīng)用模式，開發(fā)了一款基于網(wǎng)絡(luò)通信的無線智能門禁系統(tǒng)。該無線智能門禁系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性高，同時(shí)還具有安全、用戶使用方便、便于管理和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。而且此項(xiàng)目除了可以應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室之外，還可以擴(kuò)展至其他應(yīng)用場合，比如圖書館、檔案室、銀行及一些重要機(jī)關(guān)等，根據(jù)不同場合的不同實(shí)際需求，可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模塊定制，該項(xiàng)目具有很高的拓展性。