基于指紋識別的人為開啟電梯層門監控裝置設計

葉偉，陳鈺，張瀅心，周傲杰，王宇航，聶晶

（1.新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，烏魯木齊 830000；2.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003）

0 引言

隨著中國經濟的不斷發展和城市建設規模的不斷擴大，越來越多的高層建筑成為城市現代化的象征，電梯已成為人們日常工作、生活不可或缺的重要部分。電梯在帶來便利和效率的同時，關于電梯使用存在的各種安全隱患也日益暴露出來。出于對自身安全的考慮，無論是電梯用戶還是行業業內人士都開始更多地關注電梯的公共安全問題[1-4]。

在眾多的電梯安全事故案例中，非專業人員或其他相關工作人員不當開啟電梯層門而導致各種重大意外事故發生的例子時有發生。對于現代生活中頻繁使用的電梯，電梯層門已成為使用過程中一項潛在的安全風險[5]。所以，研究如何利用技術滿足電梯對開鎖人員開啟電梯層門時的警示、身份信息的識別及監控等功能的需求，以達到降低開啟電梯層門的安全風險，避免該類事故的發生就顯得十分必要。

傳統的使用電梯三角鑰匙便可開啟電梯層門的設計存在諸多安全隱患，且國內多數電梯層門未安裝監控裝置，使得電梯層門開啟的使用記錄等信息的獲取變得極為困難。現有的研究中，利用現代技術手段對電梯層門及開啟電梯層門的鑰匙結構形式的研究較多且均有應用[6-9]，而對電梯人為開啟層門的監控與身份識別記錄的研究較少。

故本研究設計一款指紋識別的人為開鎖電梯層門監控裝置，可以成功解決因電梯層門緊急開鎖裝置被非工作人員使用而導致安全事故發生的問題，也可以實時監控緊急開鎖裝置的狀態，提高了電梯層門的安全性，還可以記錄存儲工作人員操作緊急開鎖裝置的時間和個人信息[10]。如果工作人員操作電梯層門后導致電梯后續出現問題，方便追究其責任，因此設計指紋識別的人為開鎖電梯層門監控裝置具有實際意義。擬采用指紋識別加三角鑰匙開鎖的電梯層門設計，避免因為三角鑰匙使用不當而引發事故的發生，從而提高電梯層門開啟的安全性能，消除其存在的安全隱患。

1 監控裝置總體設計方案

本文實現的系統用于實現開鎖人員身份信息的識別核對，該功能可基于指紋信息識別技術改善電梯使用的安全性，正確使用緊急開鎖鑰匙開啟電梯層門，此外擬通過LoRa[11-12]和NB-IoT[13-14]兩種組網通信方式使得系統能夠在云端存儲并查詢所記錄的信息，從而完善鑰匙使用信息的自動記錄。

1.1 監控裝置結構及需求分析

目前，大多數電梯都沒有相應的人為開鎖監控裝置，基本上都是采用傳統的機械三角鑰匙進行緊急開鎖，然而這樣的三角鑰匙需要符合國家標準，這就使得三角鑰匙是相對唯一和統一的，這就有可能非工作人員利用其他設備的三角鑰匙進行開鎖，從而發生電梯事故，所以必須將傳統緊急開鎖裝置進行改進或改造，從而提高其安全性。

如果將傳統緊急人為開鎖裝置進行改裝，有可能會改變電梯層門結構，所以在原有的傳統開鎖裝置上加裝一個監控止鎖裝置，就可以在不改變電梯層門結構的同時增加層門的安全性。本設計選擇的是在三角鑰匙背后的絞結處加一個電磁鎖，電磁鎖的開啟由指紋識別模塊控制，只有指紋識別通過，電磁鎖順利打開，才能使用三角鑰匙進行層門開鎖。整個監控裝置包括指紋識別模塊、電磁鎖模塊、控制模塊、供電模塊、網絡通信模塊。其中指紋識別模塊實現對層門開鎖人員的身份信息核實，電磁鎖模塊實現對電梯層門自身三角鑰匙的止鎖，控制模塊根據指紋識別模塊的識別結果實現對電磁鎖鎖舌的控制，供電模塊實現對整個層門內監控裝置的電源供電，網絡通信模塊實現對開鎖人信息的網絡上傳。電梯層門內監控裝置結構示意圖如圖1所示。其工作流程如下：如果指紋識別模塊未核實開鎖人身份信息，則未向電磁鎖發出解鎖信號，電磁鎖鎖舌不會吸入，保持對三角鎖拉桿-5的止鎖，電梯層門無法開啟。如果指紋識別模塊核實開鎖人身份信息，則向電磁鎖發出解鎖信號，電磁鎖鎖舌吸入，實現對三角鎖拉桿5的解鎖，開鎖人通過三角鎖拉桿5推動推桿4，帶動動鉤3通過門鎖輪2向上抬起，使動鉤3與定鉤1分離，實現電梯層門的開啟。

圖1 監控裝置結構示意圖

在監控裝置運行時，首先系統需要對開鎖人員的身份信息進行采集，并將采集到的信息上傳至云端進行存儲，同時查詢已授權的具備開啟電梯層門資格人員信息，進行比對，以實現開鎖人員信息的檢測與識別；同時存儲記錄所采集的信息，供相關專業人員之后查詢使用。此外，系統還需要實現報警功能，使得當比對結果顯示開鎖人員為非專業人員時，觸發報警模塊提醒開鎖人員及物業，及時預防安全事故的發生。當核實成功時，還需要單片機觸發電動推桿動作，從而帶動鎖定裝置縮回，可人為開啟電梯層門。為了預防出現緊急救援時維保人員不在現場的情況，該監控裝置還應實現遠程開鎖的功能。

因此，在保證不影響電梯正常運行的情況下，設計的人為開鎖電梯層門監控裝置需滿足下面幾個要求：

1）在不改變電梯結構的基礎上增加一個電磁鎖，在電磁鎖開啟后，才能使用三角鑰匙進行開鎖，若電磁鎖未打開，則無法使用三角鑰匙打開電梯層門，從而增加緊急開鎖裝置的安全性。

2）使用相應的模塊先進行工作人員的信息采集，然后經過單片機存儲，當工作人員需要進行開鎖的時候，進行身份信息比對，身份信息正確，單片機給繼電器一個信號，從而使電磁鎖開啟，然后再使用三角鑰匙進行開鎖。

3）若身份信息比對不正確，單片機不向電磁鎖輸出信號，對電磁鎖進行鎖定，同時給相應的報警裝置一個信號，提醒相應安保人員進行處理。

4）工作人員進行身份識別時，由無線傳輸模塊將操作者的身份信息及操作時間傳送給監控中心計算機顯示、處理、記錄，以便在后續因操作而造成電梯故障等問題之后，追究其操作者的責任。

5）經監控中心授權后，可以實時查詢之前所有的操作記錄和操作時間。緊急情況下，可對經過授權的電梯層門進行遠程緊急開鎖。

1.2 監控裝置方案設計

監控裝置由A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、單片機、指紋傳感器、信號調理電路、驅動電路和繼電器等部分構成，系統結構框圖如圖2所示。

圖2 監控裝置方案設計圖

指紋信息錄入時，傳感器的作用是采集工作人員的指紋，信號調理電路可將指紋轉換為對應的模擬信號，A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號送入單片機，單片機收集輸入數據的信息并加以處理、儲存。

指紋識別開鎖時，指紋傳感器的作用是識別工作人員的指紋，通過信號調理電路轉換為相應模擬信號，同樣經A/D轉換模塊變換為數字信號傳輸給單片機；單片機可對比判斷輸入指紋與存儲指紋，當識別的指紋與存儲的指紋一致時發出控制指令，通過D/A轉換模塊變換為模擬信號，發送到驅動電路，驅動電路控制繼電器動作，使電磁鎖打開；當識別的指紋與單片機存儲的指紋不一致時，單片機不發出任何指令。

另外，增添控制/信息處理模塊分別采用LoRa模塊和NB-IoT模塊將采集的信息通過串口通信技術上傳至服務器，服務器將事先錄入的開鎖人員指紋信息庫與上傳的指紋信息進行對比，從而確定開鎖人員的具體身份或認定為非授權人員。

2 硬件選型及軟件設計

2.1 硬件選型

2.1.1 單片機選型

為滿足電梯層門監控裝置的使用環境及實現無線網絡傳輸的要求，本設計中使用的單片機是STM32F103 C8T6。STM32F的特點是高性能、低成本和低功耗[15]。

2.1.2 檢測模塊選型

檢測模塊采用ATK-AS608光學指紋識別模塊[16]。芯片將指紋的識別算法集成在其內置DSP運算單元中，調用方便，能快速高效地采集指紋圖像并識別其特征。模塊擁有串口和USB通信接口，用戶可根據實際情況選擇使用，按照一定的通信協議即可控制模塊。其技術指標如表1所示。

表1 技術指標

2.1.3 執行機構選型

本設計所選用的執行機構主要是電磁鎖，它是利用電磁原理來控制鎖舌縮入和伸出的一種電控門鎖。利用電產生磁場，磁場的吸力將鎖舌縮入，門打開，斷電后磁場消失，鎖舌在彈簧的作用下彈出，門鎖上。因為其沒有復雜的機械結構，成本低、體積小，一般適用于各類儲物柜、箱體、門窗、寄存柜、配電柜等。

根據設計要求，本設計選擇的電磁鎖型號為EML1-3B，即電壓為DC12 V，鎖舌方向向左的電磁鎖。鎖舌方向可根據需要自行調整，調整步驟如下：拆下鎖蓋，用一字螺絲刀或其它尖硬工具撬開鎖舌后面的卡簧，拉出鎖舌調整到所需位置，然后裝上卡簧，蓋上鎖蓋即可。

2.1.4 控制/信息處理模塊選型

1）LoRa模塊。

本設計采用LoRa技術將電梯層門的層與層之間組網，信息因此可以被集中在同一層。LoRa組網由LoRa模塊終端、網關、網絡和應用服務器4部分組成，網關和端節點可進行數據的雙向傳輸[18]。網關是端節點和服務器的橋梁，網關以TCWIP協議的方式與服務器通信，端節點之間則以單跳或多跳的方式與一個或多個網關通信。

LoRa模塊所含的微控制單元主控芯片STM8L151C8由意法半導體公司推出，是屬于STM8內核的8位超低能耗微控制器[17-18]，可同時滿足物聯網的性能和存儲上的要求，可以進行等待、低功耗運行、低功耗等待、活躍停機與停機等5種低能耗的工作，為低功耗的設計提供了便利。

2）NB-IoT模塊。

電梯開鎖人員利用NB-IoT通信模塊進行信息監控的存儲和查詢[19]，電梯開鎖人員信息可以在遠程監控終端與云端服務器之間交互，成本和功耗都較低。

根據使用環境，本設計選用的網絡模塊為中移物聯M5311模塊NB-IOT模組，兼容物聯網開發板Onenet MQTT平臺[20]。M5311是一種NB-IoT無線通信模組，基于MTK芯片平臺開發，這與中國移動物聯網通用模組的技術規范相契合，具有很強的兼容性，甚至可以用2.1～3.7 V的干電池供電，通過完善終端的電源方案，終端會有著更強的續航能力。M5311是一系列高性能NB-IoT模組的代表，其基帶芯片的性能更強、工藝更先進，大存儲、豐富的接口，內核代號Cortex M4，主頻為78 MHz，采用55 nm制程工藝，擁有4 MB Flash和4 MB RAM，提供了IIC、Wakein、網絡指示燈、工作狀態指示燈等接口。M5311支持FOTA遠程固件升級，可進行升級和版本控制，提升了模組本身的異常處理，因此可以降低組件成本。

該網絡模塊不僅性能高、功耗低還價格低廉。近期中國移動率先降低了單頻版的模組價格，使得模塊的應用更加廣泛。

2.1.5 設備電源管理

為了保證供電的可靠性，內部的層門電磁鎖控制模塊由市電和UPS緊急電源雙保險供電，在正常工作時，市電經UPS內部的整流裝置輸出層門電磁鎖控制模塊所需的DC12 V直流電源，當出現停電時，UPS將迅速切換為內部的鋰電池供電，保證層門電磁鎖控制模塊的正常工作。設置自我監測程序，定時對UPS內部的鋰電池進行健康監測，層門電磁鎖控制模塊的單片機對電池健康信息進行采集上傳服務器，及時對可能存在的電池故障進行反饋，便于維保人員的及時修理。

圖3為讀卡設備電源管理原理圖，對于電梯層門外接的讀卡設備的電量管理，采取LED顯示的方式，使用IP5306電源管理芯片，能夠有效解決設備的充放電的功能。同時該電源管理芯片配合外部電感電容等器件能夠提供升壓后的5 V電壓，用于模塊的基本供電及電源擴展。可通過觀察LED1～LED4顯示狀態獲取電源內部電池電量百分比信息。

圖3 讀卡設備電源管理原理圖

2.1.6 層門控制系統電壓檢測

圖4為層門控制系統電壓檢測原理圖。為在電梯內的層門控制系統中使用UPS不間斷電源進行控制，并在電路內部設有電梯電源電壓檢測裝置，連接于UPS電源內部的12 V蓄電池（圖4中VIN），根據比例降壓電路，對12 V蓄電池進行降壓。降壓后的電壓值有效范圍在STM32單片機的參考的標準電壓3.3～0 V間（圖4中ADC_IN）。降壓后的信號連接至內部STM32單片機的ADC功能端口，STM32單片機憑借外圍電路提供的基準電壓，對獲取到的降壓后的電壓做運算，從而實時測量出內部蓄電池的電壓。通過無線模塊將電壓信息上傳至云端，設定報警閾值，并在云端的操作界面訂閱電壓信息。管理員能夠接收到每個電梯單元層門鎖電壓狀態的信息，當出現數值異常時可及時排查相應情況信息。

圖4 層門控制系統電壓檢測原理圖

2.2 軟件設計

層門鑰匙控制模塊主要是用來采集和存儲工作人員的指紋信息，當采集到工作人員指紋信息后，將其指紋信息進行編號分區存儲。當工作人員需要使用層門鑰匙開鎖時，軟件會將識別到的指紋信息與存儲的指紋信息進行匹配，匹配成功后則把識別出來的指紋編號通過串口傳給層門電磁鎖控制模塊。若識別到的指紋信息與存儲的指紋信息不匹配，則不會向層門電磁鎖控制模塊傳輸信息。遇到緊急情況時，云服務器可以通過M5311模塊下發指令信息給LoRa模塊對特定的電梯層門進行遠程緊急開鎖。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

層門鑰匙控制模塊內部程序設計有兩套，一套是指紋采集的，另一套是指紋識別的。工作人員指紋信息的采集依賴于指紋傳感器，指紋傳感器將相應的指紋信息轉化為相應的數字信號，傳輸給控制芯片，控制芯片對其進行編號處理，然后對其進行分區儲存，通過485總線將指紋編號傳輸給網絡模塊，以供查詢。在指紋識別過程中，使用另一套程序來識別操作員的指紋信息，并將其轉換為相應的數字信號，然后與存儲在單片機中的指紋信息進行比較。如果比較成功，相應的指紋號將傳輸到電磁鎖控制模塊。如果比較不成功，則結束程序。

層門電磁鎖控制模塊主要是用來控制層門內部的電磁鎖進行開鎖。當指紋傳感器對操作者的指紋信息識別后，將其與存儲在單片機中的授權指紋信息進行比較，如果比較成功，將相應的層門開鎖信號傳輸給層門電磁鎖控制模塊。層門電磁鎖控制模塊將給繼電器發送一個觸發信號，使繼電器工作，從而使電磁鎖電源接通，電磁鎖鎖舌縮入，以解除對三角拉桿的止鎖。經過10 s的時間間隔后，繼電器的觸發信號自動消失，繼電器線圈斷電，鎖舌彈出，恢復對三角拉桿的止鎖。在給繼電器發送觸發信號的同時，層門電磁鎖控制模塊通過485總線將開鎖人指紋編號傳輸給網絡模塊，進行記錄。

3 結論

本文提出一種能夠對開啟電梯層門的開鎖人員進行身份信息識別與比對并存儲、記錄其信息的裝置設計方案，其次兼備控制電梯層門開啟以及報警和語言播報功能，以達到安全防護、監控的目的并起到一定的威懾作用，在一定程度上可阻止二次事故的發生，且云端存儲的信息可供后續查詢，使得當有電梯井道事故發生后，物業單位或電梯維保公司可以獲得有效的記錄信息，降低分析事故發生原因的難度。

但從監控角度來說，該裝置尚不能提供視頻資料信息及記錄的功能，在各電梯樓層安裝實時監控需要考慮成本及安裝手續繁瑣等問題；而基于LoRa技術的無線傳輸模塊可以大大降低系統功耗，增加傳輸距離，加強抗干擾能力，但其成本并不低。此外，本文設計的裝置需要安裝在每一個電梯樓層間，這使得安裝過程也在一定程度上變得較為繁瑣。期望在未來的工作中，我們可以在保證模塊性能質量的基礎上，解決模塊的成本價格問題，并探索出更便利的裝置設計方案，可以在技術上有力地保障人民生命財產安全，為企業、物業、維保公司乃至政府等帶來更多的利益和便利。