实验室无线智能门禁系统的设计与实现
2019-01-30刘煜武辰王嘉宇
文/刘煜 武辰 王嘉宇
门禁系统经历了机械锁、电磁锁、密码锁、IC卡电子锁、信息锁、生物锁。随着网络数字技术的发展，门禁系统向着网络化、集成化的方向发展，门禁系统已超越了单纯的门道及钥匙管理，应用的领域也越来越广泛。市场上智能门禁系统种类繁多，主要是使用射频卡和静态密码的门禁系统。
目前市场上的门禁系统基本上是完成进出控制功能，而且使用成本较高，不能满足实验室日常管理需求。鄂尔多斯应用技术学院的实验室使用传统的机械门锁，实验室管理员同时管理多个实验室钥匙，管理员出差或请假时实验室的使用就会滞后，实验室管理工作强度大、效率低。日常实验教学中钥匙难免会流落出管理范围，实验室的安全得不到有效保障。针对目前实验室管理状况，研发设计一款针对学校实验室易于大规模普及的智能门禁系统。为实验室出入管理和用电安全提供高品质的安全防护，并作进一步推广。
1 实验室智能门禁系统的研究
本文设计实验室智能门禁系统，实现实验室智能化管理。设计的系统使用STM32处理器为主控制器，门锁部分使用动态密码完成控制，安全性极高；管理员与门锁的通信使用网络通信，不仅满足管理需求，还大大降低开发成本；设计基于安卓系统的手机APP，管理员使用APP向门锁发送开关门锁指令，指令通过网络通信发送到门锁控制系统；管理员还能时刻通过APP查看实验室电源是否关闭，及时的远程关闭电源。项目设计的实验室门禁系统实现后，它的使用不仅能减轻管理人员工作负担，提高工作效率，还能加强出入管理和用电安全，因此研究实验室智能门禁系统具有及其重要的意义。
2 整体方案设计
实验室智能门禁系统以STM32控制器为核心，采用矩阵键盘和显示屏为人机交互界面。管理员可以通过手机APP远程对实验室门禁和电源进行控制。当管理者发出允许开锁指令后，5分钟之内按下开锁按钮，屏幕显示随机生成的6位数字密码，正确输入后门锁打开；若输入错误，随机密码刷新，等待再次输入；直至三次输入错误或超过限定时间，系统进入休眠状态，只有管理员才能再次唤醒。管理员还能实时远程查看实验室内是否断电，对实验室电源进行控制。该智能门禁系统可为实验室提供足够安全的财产保障和用电安全，还能减轻管理员的劳动负担。
图1
该智能门禁系统的硬件结构分为六个模块，分别是STM32最小系统、无线通信模块、门锁驱动模块、实验室电源控制模块、人机交互界面、系统电源。硬件系统总体框图如图1所示。
2.1 主控及电源模块
根据控制要求，智能门禁系统采用STM32F103控制器作为主控芯片，该芯片具有3个USART串口、3个16位定时器、51个多功能双向I/O口等, 开发者可以利用其丰富的内部资源和外设资源进行设计开发, 更重要的是功耗低, 非常适合对功耗敏感的智能家居、物联网系统应用。
整个系统采用12V直流电源，在有电情况下使用电源适配器供电，短时停电情况下用锂电池做紧急供电。各模块通过降压处理后分别供给5V和3.3V。
2.2 无线通信模块
为了使无线门禁系统并使其具有更高的灵活性，因此使用网络发送指令。现在网络普及，受地理环境的影响小，且成本低，可以完全实现门禁系统的远程监控，充分利用无线网络环境扩展门禁系统服务功能。
2.3 人机交互模块
为了降低使用成本，采用动态数码管作为动态密码显示设备，4×4矩阵键盘作为输入设备，具有性价比高，经久耐用的特点。STM32生成6位密码后通过串口传输将密码显示出来，矩阵键盘采集输入数字，传回STM32进行比对。
2.4 门锁驱动模块
图2
为了控制精度与灵活性，采用步进电机来拨动锁芯完成开门、锁门。经过巧妙的机械设计，在可以灵活应用步进电机控制锁舌的同时，还可以采用钥匙紧急开锁，可以解决长时间停电时的开锁问题。
2.5 实验室电源控制模块
实验室的及时断电是十分关键的，采用继电器来控制实验室的电源通断。管理员可以使用APP实时查看实验室电源情况，远程通过继电器及时打开、关闭电源，避免发生事故。
3 程序设计
程序在系统上电后对系统硬件进行初始化，包括GPIO端口、STM32时钟、TIM定时器、USART串口通信等底层硬件配置，对通信模块、显示和输入设备进行初始化。然后等待通信模块传输过来的信号，若信号符合规范且在指令范围内，则程序跳入相应的子程序，实现系统的整体控制。智能门禁系统主程序流程图如图2所示。
4 结语
本次研究根据高校实验室门禁系统的实际需求，结合当前流行的手机客户端应用模式，开发了一款基于网络通信的无线智能门禁系统。该无线智能门禁系统工作稳定、可靠性高，同时还具有安全、用户使用方便、便于管理和成本低廉等优点，有广阔的应用前景。而且此项目除了可以应用于高校实验室之外，还可以扩展至其他应用场合，比如图书馆、档案室、银行及一些重要机关等，根据不同场合的不同实际需求，可以对该系统进行模块定制，该项目具有很高的拓展性。
