利用NB-IoT技術的機房智能門禁設計

賴瑞鏹

(泉州華光職業(yè)學院，福建 泉州 362121)

摘 要 ：隨著智慧校園的不斷發(fā)展，學校機房的門禁系統(tǒng)也在逐漸智能化。本文設計了一種利用 NB-IoT 技術的機房門禁系統(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)利用指紋識別模塊識別人員身份 ;利用繼電器控制電磁鎖的開與關 ;利用 LCD 顯示屏顯示指紋錄入、臨時授權碼輸入等信息。電池電壓、身份識別等信息通過 NB-IoT 傳輸到點燈科技平臺，實現遠程監(jiān)測。當需要臨時開啟門禁時管理員可登錄點燈科技平臺(或 APP)實現遠程解鎖。

0 引 言

隨著窄帶物聯網等技術的不斷發(fā)展，智慧校園也在快速發(fā)展。智慧校園是集大數據、物聯網、互聯網等技術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字進校園的進一步發(fā)展和提升，是教育信息化的更高級形態(tài) [1]。標準中指出，基礎設施層中的感知系統(tǒng)應包括設備感知和人員身份識別等。機房是學校的重要教學場所，傳統(tǒng)的機房門禁系統(tǒng)安全性、方便性以及管理方式已經無法與智慧校園的智能化需求相匹配。因此，將機房門禁系統(tǒng)進行升級改造很有必要。

目前，普通機房的門禁還是采用簡單的機械鎖方式，傳統(tǒng)的機房門禁需要專人操作。隨著智慧校園的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的管理方式已經不適合當前的校園 [2]。本文設計了一種利用 NB-IoT 技術的機房智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為機房管理工作人員提供便利，提高機房管理效率。本系統(tǒng)利用電磁鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械鎖 ;利用指紋識別模塊識別人員的身份，識別結果顯示在 LCD 顯示屏。同時將識別的信息通過 NBIoT 模塊傳輸至點燈科技平臺，管理人員可登錄平臺查看識別信息。身份識別結果不僅顯示在屏幕上，也可通過語音播報模塊播放，指紋信息的錄入可通過矩陣鍵盤上的按鍵切換功能實現。當無權限的人要進入機房時，管理人員可遠程解鎖，也可通過矩陣鍵盤輸入臨時授權碼進入。

1 系統(tǒng)總體設計方案

機房門禁系統(tǒng)以 Arduino Mega2560 Pro 為主控制器，包含身份識別的指紋識別模塊、數據傳輸的 NB-IoT 模塊、繼電器電磁鎖模塊、信息顯示 LCD 顯示屏、矩陣鍵盤、電池電壓檢測電路以及人性化語音播報模塊。系統(tǒng)總體設計框圖如圖 1 所示。

2 終端硬件設計

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較小。Mega2560Pro 與標準版 Mega2560 均采用 ATmega2560(16 MHz 晶振)芯片，也就意味著這兩個模塊功能一致。Mega2560 Pro 有54 個數字接口(I/O 口)，其中有 15 個可以作為 PWM 直接輸出。Mega2560 Pro 提供 4 路 UART 通信，即 Serial 通信。數據通過 ATmega 8U2/ATmega 16U2 時指示燈閃爍(除 0 和1 口)。利用 SoftwareSerial 庫可將 Mega2560 Pro 的任意數字接口作為通信接口使用。Mega2560 Pro 產品參數見表 1 所列。

2.2 NB-IoT 模塊

系統(tǒng)識別的身份、電池電壓等信息通過 NB-IoT 傳輸到物聯網平臺。NB-IoT 模塊采用谷雨物聯網的 NB101 模塊。NB101 是一款基于移遠 NB 模組 BC95 的 NB 核心板，模塊引出常用信號，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 3.3 V LDO穩(wěn)壓電源、MicroSIM 卡座、ESD 防護電路等資源 ;用戶只需注重上層應用就可以快速開發(fā)出基于 NB-IoT 的產品。模塊有 3 種工作模式 ：喚醒(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)時所有功能正?？捎?，可以進行數據發(fā)送和接收。模塊處于輕休眠狀態(tài)時，網絡處于 DRX/eDRX 狀態(tài)，可接收尋呼消息 ;模塊處于深睡眠狀態(tài)時，內部只有 RTC 工作，網絡處于非連接狀態(tài) [4]。

模塊常用的接口有 8 個，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)送數據接口，與主控的 RXD 連接 ;模塊的 RXD 為發(fā)送數據接口，與主控的 TXD 連接。2 個引腳均為 3.0 V 信號電平，當與 3.3 V主控連接時要串聯 1 kΩ 的電阻。LDO 穩(wěn)壓芯片使能引腳EN。模塊復位引腳 RESET。模塊還有 2 個通信指示引腳 ：NET 網絡指示燈狀態(tài)輸出引腳以及異步消息通知引腳。

2.3 指紋識別模塊

指紋識別采用 AS608 光學指紋識別模塊。AS608 光學指紋識別模塊內部集成有指紋識別算法，能快速采集和識別指紋 ;該模塊在保險柜、考勤機、門禁系統(tǒng)中尤為常見。指紋識別模塊與主控之間的數據發(fā)送與接收都按照一定的指令格式打包。解析數據包時也必須按照規(guī)定的指令進行格式解析。模塊指令模式有 3 種 ：數據包格式、命名包格式以及結束包模式。指令包和數據包包括 ：包頭、芯片地址、包標識、包長度 ;數據包與結束包的區(qū)別在于包標識。在指令包或應答包后一定跟著數據包，數據包不能單獨進入執(zhí)行流程。

AS608 光學指紋識別模塊利用光的折射和反射原理 [5]。指紋識別模塊兩個基本功能 ：一是采集指紋圖像信息 ;二是根據原有的指紋對新的指紋進行對比，從而達到身份識別的目的。在指紋識別模塊中有發(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，每一個光敏器件記錄一個像素。在模塊中有一個模數轉換器，能夠將光敏器件記錄的像素轉換成模擬電子信號，從而將圖像數字化。當手指放到指紋識別模塊的三棱鏡上時，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]。光學指紋識別模塊的原理如圖 2 所示。

2.4 門禁鎖

系統(tǒng)利用電磁鎖代替普通機械鎖，實現自動化控制。門禁鎖模塊由一個電磁鎖和一個光耦隔離繼電器組成。主控制器引腳無法直接驅動電磁鎖，因此在電磁鎖的前端需要增加一個光耦隔離繼電器 [7]。當光學指紋識別模塊識別到已有指紋時，主控發(fā)出信號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，為了降低功耗，本系統(tǒng)使用常開的觸點。通電時，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現繼電器的吸合。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 語音播報模塊

系統(tǒng)中的語音播報模塊實現了系統(tǒng)的人性化設計。語音播報模塊主要用于身份識別、指紋錄入、刪除等操作信息的播報。語音播報模塊采用中文 TTS 文字轉語音合成模塊。該模塊能夠將漢字、大小寫英文字母、數字直接轉換成語音輸出。在串口輸出播放內容即可，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語句，即需要一定的時間讓語音模塊讀完播放信息。

2.6 電池電壓檢測電路

為防止停電時無法開啟門禁進入機房的問題，在系統(tǒng)內置一個可充電電池。電池電壓是電池的重要參數之一，系統(tǒng)采集電壓并將數據傳輸到平臺。主控的模擬接口最大輸入電壓為 5 V，因此利用電阻串聯分壓的方式采集電壓 [8]。在電池電壓檢測電路中還需要考慮一個問題 ：電路中的電阻不能過小，否則會導致電池對整個電路持續(xù)供電，會大量消耗電池電量。針對這個問題，可以在電阻串聯分壓電路中串聯一個 NMOS 管，當無需檢測電池電壓時，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現數據通信。該顯示屏的主控芯片是 ST7920，它是一款 COB(芯片直接貼裝技術)液晶顯示屏，內部有GB2312 中文字庫。要顯示中文只需要利用中文字庫內碼提取軟件提取出內碼即可。該顯示屏不僅方便顯示中文，也可以顯示 BIN 格式圖片，只需要將預先做好的圖片配合相應的下載工具將其存儲到顯示屏上，再通過主控程序控制就可以成功顯示。

顯示屏有 8 個引腳，只要連接其中 5 個引腳就可通信。5 個引腳分別是 GND、VDD、SCL、SDA、BUSY。其中，GND、VDD 為電源 ;SCL 為 I2C 時鐘信號線 ;SDA 為 I2C數據信號線 ;BUSY 為忙信號，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 程序設計

系統(tǒng)初始化后，首先進行指紋錄入。當有人將手指放置在指紋識別模塊玻璃板上時，指紋識別模塊開始采集當前指紋并進行對比 ;經過對比，如果是之前已經存儲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“門禁已開啟”，同時顯示屏上顯示門禁開啟信息。驗證成功的指紋 ID 號通過 NB-IoT 傳輸到物聯網平臺(點燈科技);管理人員可登錄平臺或者 APP 查看門禁開啟信息。當無權限的人需要進入時，管理人員可通過平臺遠程控制解鎖，也可通過管理人員告知的臨時授權碼進入。系統(tǒng)主程序流程如圖 3 所示。

4 結 語

本文設計的機房智能門禁通過光學指紋識別模塊實現身份識別。利用 LCD 顯示屏和語音播報模塊實現了友好的人機交互界面。利用 NB-IoT 模塊實現了遠程監(jiān)測和控制。當無權限的人需要進入機房時，管理人員可通過平臺或 APP進行遠程控制。系統(tǒng)內置一塊可充電電池，可解決因停電管理人員無法進入機房檢查的問題。系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機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