智能簽到門控制系統設計

田孟，紀利琴

（安徽新華學院智能制造學院，安徽合肥，230088）

0 引言

隨著我國高等教育的飛速發展，在校大學生的人數越來越多，這些給高等學校學生管理工作增加了巨大的壓力。對一些上課遲到、早退、夜不歸宿、晚歸等不良現象，無法很好地管理與禁止。本控制器即是針對這些不良現象，為了能夠方便、快捷、智能地輔助學校的學生管理人員加強學生管理，特設計了一種智能簽到門控制系統。

本智能簽到門控制系統的基本原理是：系統設置上位機和下位機，其中下位機是以單片機為核心的控制器，完成學生IC 卡讀卡、IC 卡識別、控制門鎖的打開與關閉[1]。同時為防止學生只刷卡不進入等現象，門框兩邊設有對射式激光傳感器，檢測人員通過情況并記錄通行信息。上位機是可以上網的微機，負責與下位機通信，采集、記錄下位機學生通行信息，并負責通過網絡發至學校相關學生管理人員，輔助完成對學生的上課、宿舍等管理工作。

本系統上位機有現有的系統，本文主要描述下位機的設計。

1 系統整體組成框圖

本系統組成框圖見圖1，系統由上位機、下位機組成。下位機由STM32F103C8T6 控制器及最小系統電路、舵機控制電路、讀RFID 卡模塊、IC 卡、對射式光電傳感器電路、WIFI 通信模塊。上位機由微機組成，設置有WIFI 接收模塊、網絡通信系統以及專門的學生管理系統軟件[2]。

圖1 系統硬件框圖

（1）STM32F103C8T6 控制器及最小系統電路：下位機控制的核心部分，負責讀取學生IC 卡信息，采集學生通過情況，控制舵機控制電路，從而控制開關門。

（2）舵機控制電路：控制門的開與關。

（3）讀RFID 卡模塊：讀取學生IC 卡信息的裝置。

（4）IC 卡：儲存學生通過宿舍門或教室門的身份信息。

（5）對射式光電傳感器電路:檢測人員通過情況。

（6）WIFI 通信模塊:負責與上位機通信，數據為發送端。

（7）上位機：上位機是一臺微機。上位機的WIFI 接收模塊負責與下位機通信，采集IC 卡以及人員通過信息；上位機的學生信息管理系統負責采集、分析、處理學生信息，通過有線網絡將學生信息存儲到服務端，管理人員或學生可以通過電腦或手機客戶端APP 請求服務端，將需要的信息展現在客戶端上，了解學生宿舍晚歸、上課遲到、曠課等信息，加強學生管理。

2 控制芯片及主要硬件電路設計

■2.1 控制芯片

STM32F103C8T6 是一款基于ARMCortex-M 內核的32位微處理器（見圖2），內集成ROM 容量64KB，RAM 容量512KB，主頻可達72MHz，工作電壓3.3V。該控制器功耗低、接口豐富，成本低廉，完全符合本系統制作要求。

圖2 控制芯片圖

■2.2 硬件設計

硬件設計包括STM32F103C8T6 最小系統電路、舵機控制電路、RFID 讀卡模塊RC522 電路、對射式光電傳感器電路、WIFI 模塊電路組成。

2.2.1 STM32F103C8T6 最小系統電路

最小系統主要有電源、晶振、復位電路組成。

(1)電源電路 系統采用5V 穩壓源供電，控制器電源電路由LDO(Low Dropout Regulator)低壓差線性穩壓器將5V 轉換為3.3V，具體見圖3。

圖3 電源電路圖

(2)晶振電路 晶振電路是用來給控制器芯片提供時鐘信號，電路見圖4。Y1 為晶振，頻率為72MHz，OSC OUT、OSC IN 為控制器引腳。

圖4 晶振電路圖

(3)復位電路 控制器復位信號為低電平有效，復位電路給控制器提供復位信號。電路見圖5 所示。系統上電時，電容C7 使NRST 引腳為低電平，完成上電復位；正常工作時，按下SW 按鍵，NRST 引腳被拉低，產生外部復位。

圖5 復位電路圖

2.2.2 舵機控制電路

舵機控制電路是集成控制電路、馬達、減速器（齒輪組、電位器）等于一體的（見圖6），并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。該舵機控制電路能夠利用簡單的輸入信號比較精確的控制轉動給定角度的電機系統。

圖6 舵機控制電路

舵機控制信號，一般是脈寬調制（PWM）信號，如圖7 所示，直觀反映了PWM 信號和舵機轉動角度的關系。通過給舵機通電的時間控制，結合角度傳感器的反饋信號檢測和控制，實現了舵機的精確角度控制。

圖7 舵機控制信號

2.2.3 RFID 讀卡模塊RC522 電路

RFID 讀卡模塊基本原理是讀卡器發射一組固定頻率的電磁波，IC 卡片內有一個LC 串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC 諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2V 時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。該發射電路的核心器件是RC522 芯片，電路見圖8所示。

圖8 射頻發射/接收電路

2.2.4 對射式光電傳感器

對射式光電傳感器由一個發光器和一個收光器組成的光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測人通過路徑的兩側，檢測人通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號給控制器。其工作示意圖見圖9。

圖9 光電傳感器工作示意圖

2.2.5 WIFI 模塊電路

WIFI 發射、接收電路相同，見圖10。當發射數據時，需將nRF24L01 配置為發射模式，接著把接收節點地址和有效數據按照時序寫入nRF24L01 緩存區即可，nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。

圖10 WIFI 模塊電路

3 下位機軟件設計

下位機的主要功能包括讀取IC 卡信息、采集光電傳感器信息、發射WIFI 信息、控制開關門。由于這些信息均是在有IC 卡信息讀取時（表示有人通過）發生的，因此在軟件處理時均將其放在讀取IC 中斷處理程序中。

IC 卡中斷處理程序見圖11。進入中斷后，首先讀取IC卡信息，并識別判斷，若為有效卡信息，則啟動光電傳感器，并讀取人員通過信息，有人通過，則控制教室或宿舍門開啟，否則不啟動，在有人員通過并開啟門的情況下，啟動WIFI 發送，將信息上傳上位機，接著中斷返回。

圖11 軟件流程圖

4 上位機及客戶終端功能簡述

上位機主要負責通過WIFI 采集學生信息和人員通過信息，在學生信息管理系統中匯總、處理、分析、統計，并存儲到服務端供查詢、管理等[3]。

手機/電腦客戶端主要完成以下功能：

（1）顯示學生上課簽到、簽退時間以及簽到學生信息等。

（2）顯示學生宿舍出、入時間，以及學生的信息。

（3）記錄、保存、匯總各個學生的上課、宿舍歸宿情況，方便管理人員的查看。

5 調試與功能驗證

按照以上的硬件及軟件設計，完成了下位機的整體設計。為了進一步驗證系統功能，按照設計制作了一套實物，并開展系統的實際功能測試，當下位機設置在教室門口，在學生刷了IC 卡后，學生查詢到的上課到課情況如圖12 所示；當下位機設置在宿舍門口時，在學生刷了IC 卡后，學生查詢到的歸宿情況如圖13 所示。學校的學生管理人員也可以登錄系統，查詢到學生的相關情況，可以有效協助學生管理人員加強學生管理。

圖12 學生上課到課情況圖

圖13 學生歸宿情況圖

6 結論

本系統完成了上位機與下位機的WIFI 通信系統，下位機對IC 卡的讀取，對簽到門的控制，并能夠通過網絡將學生的到課、歸宿等信息傳送給終端用戶，協助教師或管理人員了解學生到課上課情況、歸宿情況等，簡單實用，性價比高，系統功能可滿足學校對學生進行相關管理的要求，大大提高了管理效率。