利用NB-IoT技術(shù)的機(jī)房智能門禁設(shè)計(jì)

賴瑞鏹

(泉州華光職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362121)

摘 要 ：隨著智慧校園的不斷發(fā)展，學(xué)校機(jī)房的門禁系統(tǒng)也在逐漸智能化。本文設(shè)計(jì)了一種利用 NB-IoT 技術(shù)的機(jī)房門禁系統(tǒng)。該門禁系統(tǒng)以 Arduino Mega2560 Pro 為主控，采用 NB-IoT 通信方式。系統(tǒng)利用指紋識(shí)別模塊識(shí)別人員身份 ;利用繼電器控制電磁鎖的開與關(guān) ;利用 LCD 顯示屏顯示指紋錄入、臨時(shí)授權(quán)碼輸入等信息。電池電壓、身份識(shí)別等信息通過 NB-IoT 傳輸?shù)近c(diǎn)燈科技平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。當(dāng)需要臨時(shí)開啟門禁時(shí)管理員可登錄點(diǎn)燈科技平臺(tái)(或 APP)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程解鎖。

0 引 言

隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧校園也在快速發(fā)展。智慧校園是集大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)于一身的校園管理體系，在《智慧校園總體框架》(GB/T 36342—2018)中明確提出智慧校園是數(shù)字進(jìn)校園的進(jìn)一步發(fā)展和提升，是教育信息化的更高級(jí)形態(tài) [1]。標(biāo)準(zhǔn)中指出，基礎(chǔ)設(shè)施層中的感知系統(tǒng)應(yīng)包括設(shè)備感知和人員身份識(shí)別等。機(jī)房是學(xué)校的重要教學(xué)場(chǎng)所，傳統(tǒng)的機(jī)房門禁系統(tǒng)安全性、方便性以及管理方式已經(jīng)無法與智慧校園的智能化需求相匹配。因此，將機(jī)房門禁系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造很有必要。

目前，普通機(jī)房的門禁還是采用簡(jiǎn)單的機(jī)械鎖方式，傳統(tǒng)的機(jī)房門禁需要專人操作。隨著智慧校園的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)不適合當(dāng)前的校園 [2]。本文設(shè)計(jì)了一種利用 NB-IoT 技術(shù)的機(jī)房智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?yàn)闄C(jī)房管理工作人員提供便利，提高機(jī)房管理效率。本系統(tǒng)利用電磁鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械鎖 ;利用指紋識(shí)別模塊識(shí)別人員的身份，識(shí)別結(jié)果顯示在 LCD 顯示屏。同時(shí)將識(shí)別的信息通過 NBIoT 模塊傳輸至點(diǎn)燈科技平臺(tái)，管理人員可登錄平臺(tái)查看識(shí)別信息。身份識(shí)別結(jié)果不僅顯示在屏幕上，也可通過語音播報(bào)模塊播放，指紋信息的錄入可通過矩陣鍵盤上的按鍵切換功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無權(quán)限的人要進(jìn)入機(jī)房時(shí)，管理人員可遠(yuǎn)程解鎖，也可通過矩陣鍵盤輸入臨時(shí)授權(quán)碼進(jìn)入。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)房門禁系統(tǒng)以 Arduino Mega2560 Pro 為主控制器，包含身份識(shí)別的指紋識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?NB-IoT 模塊、繼電器電磁鎖模塊、信息顯示 LCD 顯示屏、矩陣鍵盤、電池電壓檢測(cè)電路以及人性化語音播報(bào)模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

2 終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

系統(tǒng)主控制器采用 Arduino Mega2560 Pro。該主控板尺寸為 38 mm×55 mm，比常見的 Arduino UNO 主控板的尺寸小 ;小尺寸的主控板也使得終端的尺寸相對(duì)較小。Mega2560Pro 與標(biāo)準(zhǔn)版 Mega2560 均采用 ATmega2560(16 MHz 晶振)芯片，也就意味著這兩個(gè)模塊功能一致。Mega2560 Pro 有54 個(gè)數(shù)字接口(I/O 口)，其中有 15 個(gè)可以作為 PWM 直接輸出。Mega2560 Pro 提供 4 路 UART 通信，即 Serial 通信。數(shù)據(jù)通過 ATmega 8U2/ATmega 16U2 時(shí)指示燈閃爍(除 0 和1 口)。利用 SoftwareSerial 庫可將 Mega2560 Pro 的任意數(shù)字接口作為通信接口使用。Mega2560 Pro 產(chǎn)品參數(shù)見表 1 所列。

2.2 NB-IoT 模塊

系統(tǒng)識(shí)別的身份、電池電壓等信息通過 NB-IoT 傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)。NB-IoT 模塊采用谷雨物聯(lián)網(wǎng)的 NB101 模塊。NB101 是一款基于移遠(yuǎn) NB 模組 BC95 的 NB 核心板，模塊引出常用信號(hào)，即插即用非常方便，是一款高性能、低功耗的模組 [3]。NB101 板載 IPEX 射頻天線座、5 V 轉(zhuǎn) 3.3 V LDO穩(wěn)壓電源、MicroSIM 卡座、ESD 防護(hù)電路等資源 ;用戶只需注重上層應(yīng)用就可以快速開發(fā)出基于 NB-IoT 的產(chǎn)品。模塊有 3 種工作模式 ：?jiǎn)拘?Active 狀態(tài))、輕休眠(Idle 狀態(tài))、深睡眠(PSM狀態(tài))。模塊處于喚醒狀態(tài)時(shí)所有功能正?？捎茫梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。模塊處于輕休眠狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于 DRX/eDRX 狀態(tài)，可接收尋呼消息 ;模塊處于深睡眠狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部只有 RTC 工作，網(wǎng)絡(luò)處于非連接狀態(tài) [4]。

模塊常用的接口有 8 個(gè)，包括電源接口 VDD 和 GND，模塊 UATR 通信接口 TXD 和 RXD，模塊的 TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)接口，與主控的 RXD 連接 ;模塊的 RXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)接口，與主控的 TXD 連接。2 個(gè)引腳均為 3.0 V 信號(hào)電平，當(dāng)與 3.3 V主控連接時(shí)要串聯(lián) 1 kΩ 的電阻。LDO 穩(wěn)壓芯片使能引腳EN。模塊復(fù)位引腳 RESET。模塊還有 2 個(gè)通信指示引腳 ：NET 網(wǎng)絡(luò)指示燈狀態(tài)輸出引腳以及異步消息通知引腳。

2.3 指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別采用 AS608 光學(xué)指紋識(shí)別模塊。AS608 光學(xué)指紋識(shí)別模塊內(nèi)部集成有指紋識(shí)別算法，能快速采集和識(shí)別指紋 ;該模塊在保險(xiǎn)柜、考勤機(jī)、門禁系統(tǒng)中尤為常見。指紋識(shí)別模塊與主控之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收都按照一定的指令格式打包。解析數(shù)據(jù)包時(shí)也必須按照規(guī)定的指令進(jìn)行格式解析。模塊指令模式有 3 種 ：數(shù)據(jù)包格式、命名包格式以及結(jié)束包模式。指令包和數(shù)據(jù)包包括 ：包頭、芯片地址、包標(biāo)識(shí)、包長(zhǎng)度 ;數(shù)據(jù)包與結(jié)束包的區(qū)別在于包標(biāo)識(shí)。在指令包或應(yīng)答包后一定跟著數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包不能單獨(dú)進(jìn)入執(zhí)行流程。

AS608 光學(xué)指紋識(shí)別模塊利用光的折射和反射原理 [5]。指紋識(shí)別模塊兩個(gè)基本功能 ：一是采集指紋圖像信息 ;二是根據(jù)原有的指紋對(duì)新的指紋進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到身份識(shí)別的目的。在指紋識(shí)別模塊中有發(fā)光二極管和電荷耦合器件(CCD)。發(fā)光二極管為模塊提供光源，照亮手指上的指紋 ;CCD 是一組光敏二極管，每一個(gè)光敏器件記錄一個(gè)像素。在模塊中有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒐饷羝骷涗浀南袼剞D(zhuǎn)換成模擬電子信號(hào)，從而將圖像數(shù)字化。當(dāng)手指放到指紋識(shí)別模塊的三棱鏡上時(shí)，發(fā)光二極管提供光源照亮指紋，光從底部射向三棱鏡。光束在凹凸不平的指紋紋路上的折射角度和光線明暗各不同，CCD 搜集到明暗程度不同的圖片信息，從而完成指紋采集 [6]。光學(xué)指紋識(shí)別模塊的原理如圖 2 所示。

2.4 門禁鎖

系統(tǒng)利用電磁鎖代替普通機(jī)械鎖，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。門禁鎖模塊由一個(gè)電磁鎖和一個(gè)光耦隔離繼電器組成。主控制器引腳無法直接驅(qū)動(dòng)電磁鎖，因此在電磁鎖的前端需要增加一個(gè)光耦隔離繼電器 [7]。當(dāng)光學(xué)指紋識(shí)別模塊識(shí)別到已有指紋時(shí)，主控發(fā)出信號(hào)使繼電器吸合電磁鎖通電，門開啟。繼電器有常閉和常開兩種觸點(diǎn)，為了降低功耗，本系統(tǒng)使用常開的觸點(diǎn)。通電時(shí)，常開接口與 COM 公用接口短接。模塊中的 IN 接口與主控連接，通過主控引腳高低電平輸出即可實(shí)現(xiàn)繼電器的吸合。模塊觸發(fā)方式(高電平觸發(fā)或低電平觸發(fā))可通過跳線選擇。

2.5 語音播報(bào)模塊

系統(tǒng)中的語音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)。語音播報(bào)模塊主要用于身份識(shí)別、指紋錄入、刪除等操作信息的播報(bào)。語音播報(bào)模塊采用中文 TTS 文字轉(zhuǎn)語音合成模塊。該模塊能夠?qū)h字、大小寫英文字母、數(shù)字直接轉(zhuǎn)換成語音輸出。在串口輸出播放內(nèi)容即可，例如要播放“指紋刪除成功”，代碼為 Serial.print (“指紋刪除成功”)。模塊通過 UART 串口通信，模塊的 TXD 和 RXD 分別與主控制器的 RXD 和 TXD連接。在使用該模塊過程中，需要注意的是語音輸出后要增加延時(shí)語句，即需要一定的時(shí)間讓語音模塊讀完播放信息。

2.6 電池電壓檢測(cè)電路

為防止停電時(shí)無法開啟門禁進(jìn)入機(jī)房的問題，在系統(tǒng)內(nèi)置一個(gè)可充電電池。電池電壓是電池的重要參數(shù)之一，系統(tǒng)采集電壓并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)。主控的模擬接口最大輸入電壓為 5 V，因此利用電阻串聯(lián)分壓的方式采集電壓 [8]。在電池電壓檢測(cè)電路中還需要考慮一個(gè)問題 ：電路中的電阻不能過小，否則會(huì)導(dǎo)致電池對(duì)整個(gè)電路持續(xù)供電，會(huì)大量消耗電池電量。針對(duì)這個(gè)問題，可以在電阻串聯(lián)分壓電路中串聯(lián)一個(gè) NMOS 管，當(dāng)無需檢測(cè)電池電壓時(shí)，主控輸出低電平使NMOS 斷開，減少電池的損耗 [9]。

2.7 LCD 顯示屏

指紋錄入、刪除、驗(yàn)證以及門禁開啟等信息顯示在LCD12864 屏幕上 [10]。普通的 LCD12864 顯示屏接口太多，不僅接線麻煩而且接口太多會(huì)占用主控制器的引腳。因此本系統(tǒng)采用 I2C 接口顯示屏。I2C 接口顯示屏加上電源線總共四根線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。該顯示屏的主控芯片是 ST7920，它是一款 COB(芯片直接貼裝技術(shù))液晶顯示屏，內(nèi)部有GB2312 中文字庫。要顯示中文只需要利用中文字庫內(nèi)碼提取軟件提取出內(nèi)碼即可。該顯示屏不僅方便顯示中文，也可以顯示 BIN 格式圖片，只需要將預(yù)先做好的圖片配合相應(yīng)的下載工具將其存儲(chǔ)到顯示屏上，再通過主控程序控制就可以成功顯示。

顯示屏有 8 個(gè)引腳，只要連接其中 5 個(gè)引腳就可通信。5 個(gè)引腳分別是 GND、VDD、SCL、SDA、BUSY。其中，GND、VDD 為電源 ;SCL 為 I2C 時(shí)鐘信號(hào)線 ;SDA 為 I2C數(shù)據(jù)信號(hào)線 ;BUSY 為忙信號(hào)，高電平為忙，低電平為閑。顯示屏的 SCL 與主控 Mega2560 Pro 的 D21(SCL)引腳連接 ;顯示屏的 SDA 與主控 Mega2560 Pro 的 D22(SDA)引腳連接 ;BUSY 與主控的 D34 引腳連接。

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，首先進(jìn)行指紋錄入。當(dāng)有人將手指放置在指紋識(shí)別模塊玻璃板上時(shí)，指紋識(shí)別模塊開始采集當(dāng)前指紋并進(jìn)行對(duì)比 ;經(jīng)過對(duì)比，如果是之前已經(jīng)存儲(chǔ)的指紋則繼電器通電吸合，打開電磁鎖，打開門禁之后語音播報(bào)“門禁已開啟”，同時(shí)顯示屏上顯示門禁開啟信息。驗(yàn)證成功的指紋 ID 號(hào)通過 NB-IoT 傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)(點(diǎn)燈科技);管理人員可登錄平臺(tái)或者 APP 查看門禁開啟信息。當(dāng)無權(quán)限的人需要進(jìn)入時(shí)，管理人員可通過平臺(tái)遠(yuǎn)程控制解鎖，也可通過管理人員告知的臨時(shí)授權(quán)碼進(jìn)入。系統(tǒng)主程序流程如圖 3 所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的機(jī)房智能門禁通過光學(xué)指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。利用 LCD 顯示屏和語音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面。利用 NB-IoT 模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。當(dāng)無權(quán)限的人需要進(jìn)入機(jī)房時(shí)，管理人員可通過平臺(tái)或 APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)內(nèi)置一塊可充電電池，可解決因停電管理人員無法進(jìn)入機(jī)房檢查的問題。系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械式門禁相比提高了安全性、可靠性，也提高了校園的智能化水平。

審核編輯：湯梓紅