铁路安全防护门监控管理系统的设计与应用

徐炳辉

（国家能源集团朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

铁路沿线设置防护网，防止闲杂人员进入，铁路作业人员需经防护网门方能进入铁路沿线从事作业等工作。现有的护网门加装普通的统一式机械挂锁，而机械挂锁钥匙则为专用的统一钥匙，这种机械挂锁易被恶意打开，且钥匙多、管理难度大，铁路员工可以拿到钥匙，造成进入护网的人员繁杂，极易发生社会上的混杂人员进入铁路沿线，增加各种路内外交通事故和违法犯罪活动发生的概率，给铁路行车安全带来极大的安全隐患。因此，现场迫切需要一种能够自动对进出护网门的人员进行登记并综合管理的装置。

1 管理系统设计

1.1 系统组成

铁路安全防护门智能耦合锁及监控管理系统由硬件设备和软件两部分组成。硬件设备主要有智能耦合锁、门状态监控装置；软件主要有手机APP 用户端和系统管理平台和防火墙，系统组成如图1 所示。

图1 系统组成

1.2 系统工作原理及流程

管理员通过系统操作对护网门智能耦合锁进行初始设置，包括对锁具进行编号、归类、命名，管理员利用管理平台将设置好的智能耦合锁的授权数据，通过云端服务器下放到作业人员手机APP 用户端，授权数据包括工作人员的权限等级、开锁的时间段等信息。作业人员收到此耦合锁的授权数据后，打开手机APP 用户端即可开启对应的智能耦合锁，未经授权的作业人员将无法开启，作业人员可通过手机APP 用户端扫描智能耦合锁二维码申请开锁，管理员同意开锁申请后，云端服务器自动下放授权数据到作业人员手机APP 用户端，即可开启智能耦合锁。智能耦合锁开启记录数据信息通过蓝牙回传至手机APP 用户端，利用手机网络自动将开锁的数据信息上传至云端服务器（如果当时开锁人员的手机处于无网状态，也不会影响顺利开锁，开锁信息将会在有网络状态时再自动上传）。

管理系统平台根据要求统计智能耦合锁的开启人员、开启次数、开启时间段等信息，可以远程挂失或修改授权数据。管理系统实现了智能耦合锁的真正智能化使用和管理。监控系统实时监控护网门的日常状态，定时上报护网门的状态，护网门开启后，管理系统平台收到护网门开启信息，管理系统软件以弹窗形式显示护网门开启，并以声、光报警，提示护网开启，系统工作原理及流程如图2 所示。

图2 系统工作原理及流程

1.3 硬件设计

系统硬件主要由智能耦合锁和护网门状态监控装置组成。

1.3.1 智能耦合锁

智能耦合锁由太阳能供电、单片机、微型驱动电机及电子锁芯、蓝牙模块、锁体、蓝牙钥匙和电子钥匙组成。

（1）太阳能供电。系统主要通过太阳能电池的充放电，为蓝牙模块、单片机和微型电机等提供可靠的电源；充电电路整体设计思路为：在日光足够充足的环境下，使用降压功能电路使过高的太阳能输出电压通过电路编程转换为适合使用的范围。根据降压电路所需的条件，以及锂电池的条件需求，设计原理：在输入电压足够高的时候，通过降压芯片与外部电路的工作使得输出电压稳定在4.2 V，达到收集太阳能并给锂电池充电的目的。

（2）单片机。单片机主要设计控制电路，用于控制微型电机的开启。

（3）微型驱动电机及电子锁芯。这是智能耦合锁区别于其他电子锁的主要标志，因为智能耦合锁按照需求必须具有内外开锁功能，因此锁芯必须采取通体锁芯，实现内外开锁。

（4）蓝牙模块。蓝牙模块指集成蓝牙功能的芯片，用于短距离的数据无线网络通信，可以方便地和手机APP 的蓝牙设备连接，实现与主模块之间的数据互通，避免繁琐的线缆连接，可与各类手机蓝牙配对使用。蓝牙钥匙设计一个指示灯、一个照明灯；指示灯用来提示蓝牙连接与操作信号。指示灯绿灯闪烁表示蓝牙钥匙的蓝牙开关打开，等待手机搜索信号连接蓝牙钥匙。红灯长亮：表示蓝牙钥匙与手机连接成功。绿灯长亮表示蓝牙钥匙接受到手机发出的操作信号。照明灯用于夜间照明，方便插入钥匙孔内。

蓝牙钥匙与电子钥匙的区别：①开锁的方式不同：电子钥匙插入锁芯就可以直接开锁，无需手机APP，开锁方式相对简单快捷；蓝牙钥匙需和手机APP 连接；②采用不同的供电方式：电子钥匙内置2032 纽扣电池，蓝牙钥匙为充电电池；③开锁信息传输不同：电子钥匙开锁后不能直接传输实时开锁信息，只是记录存储在锁芯内部，需要时必须通过蓝牙钥匙和手机APP 导出；而蓝牙钥匙可以直接通过手机APP 进行实时传输；④授权方式不同：电子钥匙是用管理器来授权开锁和取消开锁权限，不可进行远程授权，钥匙需要插入锁芯才能授权和取消授权，且授权不可设定开锁时间段，只能设定能否开锁。蓝牙钥匙授权方式是手机APP 远程授权，授权时间可自由设定时间段。

1.3.2 护网状态监控装置

护网门状态监控装置由门磁感应模块和传输模块组成。

（1）门磁感应模块。门磁是用来检测门是否开启的一个小型感应器，门磁传感器安装在锁具锁舌位置，它由两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场；较大的是无线门磁主体，它内部有一个常开型的干簧管，当永磁体和干簧管靠得很近时，无线门磁传感器处于工作守候状态，当永磁体离开干簧管一定距离后，无线门磁传感器立即发射电信号。门磁感应模块参数如下：尺寸：9.5 mm×22 mm；感应距离：15～25 mm；开关形式：常闭型、常开型；电气参数：最大功率10 W，最高电压100 V，最大电流0.5 A；外壳材料：ABS，白色；ABS，棕色；适用范围：铁质或金属门磁。

（2）传输模块。无线通信模块是一种物联网无线数据终端，利用公共运营商网络为用户提供无线长距离传输功能，采用高性能的工业级16/32 位通信处理器工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，可直接连接串口设备，实现数据透明传输，将护网门状态实时信息传输到监控管理平台，以确保对防护门状态的实时监控。

1.4 软件设计

软件系统主要包括手机APP 用户端和管理系统平台。

1.4.1 手机APP 用户端

用户在手机安装该用户端APP，使用该APP 来接收授权、开锁、关锁、采集数据、上传记录等日常操作。手机APP 开锁功能是手机APP 用户端基本的功能，手机APP 与智能耦合锁蓝牙建立连接，实现手机APP 用户端直接开锁。

1.4.2 管理系统平台

管理系统平台指管理部门或管理人员通过办公室的计算机，对锁具和员工进行信息管理和任务分配等操作。

管理系统平台包括两个独立的部分：数据库和PC 端操作系统。数据库可以安装在用户指定的服务器，也可以使用云端服务；PC 端软件用于对锁具和员工进行管理，包括发送开锁权限、采集锁具状态、统计员工记录等功能。数据库防火墙部署于应用服务器和数据库之间。用户必须通过该系统才能对数据库进行访问或管理。数据库防火墙所采用的主动防御技术能够主动实时监控、识别、告警、阻挡绕过企业网络边界防护的外部数据攻击、来自于内部的高权限用户的数据窃取、破坏、损坏等，从数据库SQL 语句精细化控制的技术层面，提供一种主动安全防御措施，结合独立于数据库的安全访问控制规则，帮助用户应对来自内部和外部的数据安全威胁。

2 技术创新点

（1）智能耦合锁锁芯内置64 位加密芯片。此芯片是一款高速度、高性能64 位信息安全芯片，集成高速的安全算法和通信接口，摒弃传统的数据加解密处理方式，使数据流加解密速度大幅提升。

（2）采用隔离舱结构，屏蔽开锁工具，防止技术性盗开。锁芯与钥匙采用三触点接触进行数据信息核对，屏蔽开锁工具，任何机械工具无法进行技术盗开。

（3）无源锁芯，故障率低，稳定性好。锁芯采用无源结构，当需要用智能钥匙开锁时，智能钥匙为锁芯提供电源，锁芯与钥匙进行数据信息核对，核对无误后锁芯启动微电机转动开启门锁，锁芯的无源设计，降低了故障率，提高了稳定性。

（4）钥匙无法复制，钥匙丢失可自助挂失，安全无漏洞。钥匙只有通过管理器针对某锁芯授权设置后，才能开启此锁芯，未被授权的锁芯或钥匙无法开启锁芯，钥匙和锁芯为三触点接触，无法复制；钥匙丢失后可通过管理器删除此钥匙的授权或通过管理系统平台删除此钥匙。

（5）后台管理系统对每一个护网门智能耦合锁的锁芯信息、授权信息、开门记录、任何操作都有记录，均可以溯源，记录的信息都存储在云端，无法伪造；远程授权、远程挂失，记录自动上传；加强对出入护网的管理、实时掌握护网门开关等信息，实现人员出入护网的数字化管理，将铁路沿线护网门管理工作信息通过无线网络自动汇总于管理平台，方便防护网门的日常动态管理，提高管理水平，建立高效巡逻防控机制，全面构建人防、物防、技防的铁路治安防控体系。

3 结束语

综上所述，铁路安全防护门智能耦合锁及监控管理系统，综合运用蓝牙通信、信息网络技术，将原有的机械锁具开发为光电一体化的新型锁具。一方面提高铁路上护网门锁体实用性，防止非法技术开启；另一方面加强对出入护网门的管理，实时掌握出入护网门的工作人员的开关门等信息，实现人员进出护网门数字化管理。将工作人员出入护网门日常难以管理的工作自动汇总入管理平台，供管理者掌握工作人员及护网门的状态，提高管理能力，建立高效巡逻防控机制，全面构建人防、物防、技防的铁路治安防控体系。