基于物聯網的實驗室智能門禁系統研究與設計

蘇世雄，馬新華，楊 楠，李 佳

（西安航空學院 計算機學院，西安710077）

新工科建設是具有中國特色的復雜系統工程，對我國高等教育發揮著示范與引領作用[1]。實驗室作為高等院校新工科人才培養的重要場所，在培養學生實踐技能、科研素養[2]、創新創業、學科競賽和教師實踐教學、科學研究等方面發揮著不可替代的作用。開放實驗室因充足的儀器設備，開放化的管理模式成為創新與創業型人才培養的主要基地，在承擔學生學科競賽中發揮著重要作用[3]，而實驗室門禁管理系統作為開放實驗室的重要組成部分，其發展對于開放實驗室具有舉足輕重的作用。當前，雖然市面上有各種各樣的智能鎖，例如，人臉識別[4]、指紋[5]、掌紋[6]等，但是其高昂的價格和使用場景并不適用于具有不同人群的開放實驗室門禁系統，而且西安航空學院實驗室管理目前基本上還是采用傳統的人工管理方式，其鎖還采用傳統的機械鎖開門。這種傳統的管理模式已不能適應當前的要求，積極引進新的管理理念、管理技術十分必要[7-8]。隨著物聯網、云計算、大數據等技術的飛速發展，為高校實驗室的管理帶來了新的發展機遇，也為現代化高校智能實驗室的發展指明了方向[9-12]。為了提高實驗室的管理水平，增強實驗設備的利用率，減輕實驗室管理員的工作負擔，本文結合西安航空學院實驗室管理的現狀，研究并設計了一種基于物聯網的實驗室智能門禁系統，該系統不僅提高了實驗室的管理效率，而且在一定程度上規范了開放實驗室管理體制，并且價格便宜，簡單實用。

1 系統整體概述

基于物聯網的實驗室智能門禁系統分為門控裝置和系統平臺管理兩部分。門控裝置以STM32F103處理器為核心，利用RFID 技術、無線傳輸WiFi 技術和電磁鎖模塊，實現用戶身份識別、信息傳輸和門鎖的控制；系統平臺管理以Java Web 技術為前端，Tomcat 為服務器，MySQL 為數據庫，具有管理員添加用戶信息、設置用戶進入實驗室的有效時間、查看用戶進出實驗室的日志信息等功能，實現了管理員對實驗室門禁的智能化管理，提高了實驗室設備的利用率和實驗室的安全性。本設計的系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構Fig.1 System framework

2 系統的硬件設計

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊是整個實驗室智能門禁系統下位機的核心，其主要功能是連接各模塊、處理其他模塊傳送的數據，并控制繼電器模塊。本系統采用基于Cortex-M3 內核的STM32F103RCT6 作為主控制器，該芯片具有較高的穩定性，運算速度和處理能力較強，其工作頻率為72 MHz，包含2 通道12位D/A 轉換器、12 通道DMA 控制器，支持ADC、定時器、I2C 和串口等外設[13]，并且具有較大的內存空間，功耗低，抗干擾能力強等特點，滿足本系統的要求。

2.2 RFID 射頻識別模塊

RFID 射頻識別模塊由非接觸式IC 卡和射頻讀寫器模塊組成。接觸式IC 或磁卡，讀寫速度慢，易受損，工作壽命短，容易出現接觸性故障等問題，并且可靠性和使用的方便性都得不到保證[14]，因此，本系統采用非接觸式IC 卡即射頻卡，該卡具有讀寫速度快、壽命時間長、可靠性高、功耗低、使用方便等特點，能夠滿足本系統的設計。同時，射頻讀寫器模塊本系統采用RFID-RC522，該模塊是一款集成度高、傳輸速度快、具有差錯檢測、低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，其工作頻率為13.56 MHz，讀/寫卡步驟分為尋卡，防沖突，選卡，認證，讀/寫卡，其使用簡單方便。

2.3 WiFi 模塊

在本系統中，下位機門控裝置和上位機系統管理平臺之間的數據傳輸主要通過WiFi 模塊建立，本系統所采用的WiFi 模塊型號是ATK-ESP8266，該模塊是一款具有超高性價比的UART-WiFi，已通過FCC、CE 認證。ESP8266 與單片機兼容，可以通過AT 指令來控制，在使用過程中有3 種工作模式可供選擇，用戶可根據需要選擇不同模式。第1 種模式是AP 模式，作為熱點被其他設備連接；第2 種模式是STA 模式，ESP8266 模塊通過路由器連接互聯網；第3 種模式是AP+STA，它是前面兩種模式的共存模式，既可以連接到其他無線網絡也可以作為熱點供其他無線設備連接[15]。本設計主要是利用了ESP8266 的STA 模式，實現了下位機門控裝置和上位機系統管理平臺的數據傳輸連接。圖2 為ESP8266 與STM32 單片機的連接圖。

圖2 ESP8266 與STM32 的連接Fig.2 ESP8266 connection with STM32

2.4 電磁鎖模塊

電磁鎖模塊由繼電器模塊和電磁鎖組成。本設計采用5 V 繼電器來實現對電磁鎖的控制，利用繼電器常開端的連接方法并且低電平觸發，即當繼電器的信號端IN 有低電平信號輸入時，繼電器吸合，常開端ON 與公共端COM 連通，設備通電，打開門鎖。

3 系統軟件設計

本系統設計的流程為用戶進出實驗室時均需要刷卡，這樣不但可以記錄用戶進出實驗室的時間，而且也便于管理員查看用戶行蹤軌跡。

3.1 下位機軟件設計

本系統下位機門控裝置軟件基于keil 平臺開發，采用C 語言編寫，該模塊主要是讀IC 卡并控制門鎖狀態，因此這里重點介紹讀卡及控制門鎖流程，其流程如圖3所示。

圖3 讀卡及門鎖控制流程Fig.3 Card reading and door lock control flow chart

3.2 上位機軟件設計

本系統上位機系統管理平臺以Java Web 技術為前端，Tomcat 為服務器，MySQL 為數據庫，其包含3 個子模塊，分別為用戶管理模塊、用戶權限模塊和信息監控模塊。此平臺只能由管理員操作，用于管理員添加用戶信息、設置用戶配套的IC 卡信息以及查看當前實驗室的人員信息。當處于用戶管理模塊時，管理員可以添加、查看、修改、刪除用戶信息；當處于用戶權限模塊時，管理員可以設置、修改、刪除用戶所配套的IC 卡，同時設置IC 卡進出實驗室的有效時間（即寫卡操作）；當處于信息監控模塊時，管理員可以查看用戶進出實驗室的日志記錄和報警信息等。其軟件總體功能架構如圖4所示。

圖4 系統管理平臺總體功能架構Fig.4 Architecture of system management platform

管理員添加用戶，設置IC 的有效時間流程如圖5所示，其余刪除、修改流程基本類似，此處不再贅述。

圖5 添加用戶設置IC 卡流程Fig.5 Add user flow chart

4 系統測試

首先管理員在上位機系統管理平臺注冊用戶信息，同時分配IC 卡，寫IC 卡的有效使用時間（時間設置為在當前范圍內），然后用戶使用IC 卡測試，測試結果表明門鎖可以正常打開，并且在上位機系統管理平臺可以看到用戶刷卡的日志記錄。其次，修改IC 的有效時間（不在當前范圍內）或刪除用戶，用戶再次刷卡，測試結果表明門鎖沒有被打開，同樣其刷卡日志也被記錄在上位機系統管理平臺。最終，實驗結果表明該系統運行穩定正常，操作便捷。圖6 為下位機門控裝置，圖7 為上位機系統管理平臺人員授權設置界面。

圖6 門控裝置Fig.6 Door control device

圖7 人員授權設置Fig.7 Personal authorization settings

5 結語

本文以西安航空學院實驗室管理為背景，設計并實現了一套基于物聯網的實驗室智能門禁系統，該系統利用STM32 單片機、RFID 技術、WiFi 技術、軟件開發技術等實現了實驗室門禁的智能化管理。經測試表明，該系統工作穩定，性能優異，不僅提高了實驗室管理效率，而且在一定程度上規范了開放實驗室的管理制度，并且該系統具有較高的安全性、便捷性和成本低廉等優點，有效地促進了實驗室智能化的發展。