開放實(shí)驗室無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座設(shè)計

摘 要：針對高校開放實(shí)驗室智能化管理的需要，運(yùn)用射頻識別技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一種無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)門和實(shí)驗臺電源的無線智能控制，應(yīng)用于高校開放實(shí)驗室，從而大大提高了實(shí)驗室的智慧化管理水平。

關(guān)鍵詞：開放實(shí)驗室；RFID；ZigBee；無線門禁；智能插座

中圖分類號：TP301.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0034-04

0引言

隨著高校實(shí)驗教學(xué)改革的逐步深入，開放實(shí)驗室的管理工作變得更加繁重、復(fù)雜且更具挑戰(zhàn)性。實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗室的智能化管理，可以減輕實(shí)驗室管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提供工作效率和服務(wù)水平，加強(qiáng)實(shí)驗室主管部門對設(shè)備和材料的計劃、采購、維修和使用的宏觀控制和管理。傳統(tǒng)的開放實(shí)驗室信息管理系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)開放教學(xué)的便利和安全，加強(qiáng)了對實(shí)驗室門禁的智能化控制和管理，這就使得連接控制設(shè)備的線路變得復(fù)雜。同時，開放實(shí)驗室增加學(xué)生實(shí)驗的“自由度”，往往會導(dǎo)致學(xué)生“分散”到實(shí)驗室做實(shí)驗或某一時段同時進(jìn)入實(shí)驗室做實(shí)驗的情況，導(dǎo)致學(xué)生和實(shí)驗室設(shè)備使用之間的矛盾[1，2]。

本文基于RFID和ZigBee技術(shù)[3，4]，設(shè)計了一種無線門禁系統(tǒng)與電源智能插座，重點(diǎn)解決開放實(shí)驗室建設(shè)中布線困難以及學(xué)生和實(shí)驗室設(shè)備使用之間的矛盾問題，同時，將門禁系統(tǒng)和開放實(shí)驗室管理有機(jī)地結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗室的智能化管理[5，6]。

1系統(tǒng)組成與功能

本系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由控制中心、無線門禁系統(tǒng)和智能電源插座三部分構(gòu)成。控制中心由PC機(jī)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)應(yīng)用軟件組成。協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與門禁系統(tǒng)和電源插座終端節(jié)點(diǎn)通信，負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、路由維護(hù)以及數(shù)據(jù)的上傳、指令的下發(fā)等。控制中心的相關(guān)指令、信息和數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無線傳輸給門禁系統(tǒng)或智能電源插座終端節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對門禁系統(tǒng)和電源的控制與管理；同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收門禁系統(tǒng)和電源插座終端節(jié)點(diǎn)的感知信息和反饋數(shù)據(jù)，以便控制中心根據(jù)事先設(shè)定的程序進(jìn)行控制。

圖1系統(tǒng)組成框圖

無線門禁系統(tǒng)由RFID讀卡器、門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和電磁鎖等組成。RFID讀卡器負(fù)責(zé)射頻卡的讀寫，門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)將讀卡器的識別信息傳輸給控制中心進(jìn)行身份認(rèn)證和開鎖條件判別，當(dāng)滿足開鎖條件時，LCD顯示分配的實(shí)驗臺號和相關(guān)信息，同時給電磁鎖發(fā)出開鎖指令。電磁門鎖接到開鎖指令后開鎖，延遲預(yù)設(shè)時間后自動關(guān)閉。門開關(guān)檢測電路，監(jiān)測實(shí)驗室大門的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)大門超過預(yù)設(shè)時間，長時間打開時，通過預(yù)先設(shè)置的程序，給實(shí)驗室管理員發(fā)出報警信號；同時，當(dāng)實(shí)驗室大門打開時，可以加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行抓拍或錄像，以記錄實(shí)驗室人員的進(jìn)出情況，限于篇幅，本文略去此部分功能的描述。

智能電源插座由電源插座終端節(jié)點(diǎn)和實(shí)驗臺電源插座組成，當(dāng)符合條件的人員進(jìn)入實(shí)驗室時，控制中心開啟所分配的實(shí)驗臺電源，人員出實(shí)驗室時再次刷卡關(guān)閉電源。智能電源插座設(shè)有過流保護(hù)電路，當(dāng)意外觸發(fā)、違規(guī)操作造成電源短路或過載時，系統(tǒng)及時提供報警信息并自動關(guān)閉該插座電源，不影響其他人正常進(jìn)行實(shí)驗。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

限于篇幅，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分略去了直流電源、LCD顯示模塊和門開關(guān)檢測電路的設(shè)計描述。

2.1協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和智能插座終端節(jié)點(diǎn)均以凌陽愛普公司（Sunplussap）的CC2530模塊為核心器件構(gòu)成，其無線射頻模塊的管腳圖如圖2所示。其管腳主要包括電源：Vcc（3.3 V），地GND，復(fù)位端RSIN（低電平有效），和可編程I/O口：包括P0.0～p0.7、P1.0~P1.7、P2.0～P2.2等。

CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的第二代片上系統(tǒng)解決方案；它結(jié)合了高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性；集成了一個高性能、低功耗的標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 CPU內(nèi)核，用于搭建功能健全、價格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片包含21個通用IO口，具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART。USART 0和USART 1每個被配置為一個SPI主/從或一個UART。它們?yōu)镽X和TX提供了雙緩沖，以及硬件流控制，因此非常適合于高吞吐量的全雙工應(yīng)用。

圖2Sunplussap CC2530模塊管腳圖

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與PC機(jī)通信，通過CC2530與終端節(jié)點(diǎn)通信。其基本組成包括串行通信模塊和CC2530模塊，串行通信模塊的原理電路如圖3所示。

圖3串口通信模塊電路圖

串口通信電路的核心器件是SPCP825A，它是USB轉(zhuǎn)UART的單芯片解決方案，集成了一個符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的全速功能控制器、緩沖器和帶有調(diào)制解調(diào)器接口信號的異步串行數(shù)據(jù)總線（適用于RS-232協(xié)議），同時具有一個集成的內(nèi)部時鐘和USB收發(fā)器，無需其他外部USB電路元件。

本文通過CC2530的P0.2和P0.3分別與SPCP825A的TXD和RXD連接，以實(shí)現(xiàn)串口通信。

2.3門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)由RFID模塊和CC2530模塊組成，電路圖如圖4所示。其中，RFID模塊采用MF522-AN讀卡模塊，其管腳功能如下：

圖4門禁終端節(jié)點(diǎn)電路圖

SS：從機(jī)標(biāo)志管腳；SCK ：SPI串行時鐘輸入；MOSI ：SPI主出從入；MISO ：SPI主進(jìn)從出；NCC：空腳；GND：地；RST：復(fù)位；Vcc：+3.3 V電源。

該模塊以MFRC522為核心器件，集成了13.56 MHz所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A的多層應(yīng)用，其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與 ISO14443A/MIFARE卡和應(yīng)答機(jī)的通信，無需其它的電路。接收器部分包括調(diào)制和解碼電路，用于處理ISO1443A兼容的應(yīng)答器信號。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證MIFAER系列產(chǎn)品。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424 Kb/s。復(fù)位上電以后，在默認(rèn)情況下，CC2530的配置為SPI主模式，不需要額外修改配置，SPI總線為上升沿觸發(fā)。

構(gòu)成本門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)時，MF522-AN模塊的接口SS、SCK、MOSI、MISO、RST分別與CC2530管腳P1.7、P0.1、P1.2、P0.4、P0.5連接。

采用RM-280型電磁鎖，外接+12 V電源即可開鎖。采用SRD-05VDC-SL-C固態(tài)繼電器進(jìn)行電源開關(guān)控制，其信號輸入端與CC2530的P0.6連接，當(dāng)門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)接收到開鎖指令時，P0.6輸出高電平，固態(tài)繼電器常開節(jié)點(diǎn)閉合，電磁鎖接通電源開鎖。

2.4電源插座終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

電源插座終端節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、LG-ETCAC10AK型過流保護(hù)模塊和SRD-05VDC-SL-C型固態(tài)繼電器組成，如圖5所示。

圖5電源插座終端節(jié)點(diǎn)電路圖

正常工作時，AC 220 V通過流保護(hù)模塊繼電器的常閉節(jié)點(diǎn)接入固態(tài)繼電器的公共端，固態(tài)繼電器的控制輸入端（IN）與CC2530模塊的P1.4連接，當(dāng)P1.4為高電平時，固態(tài)繼電器常開節(jié)點(diǎn)閉合，電源插座輸出220 V交流電。當(dāng)工作電流大于設(shè)定閾值時，過流保護(hù)模塊的繼電器連接AC 220 V的常閉節(jié)點(diǎn)將自動斷開，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)；當(dāng)工作電流恢復(fù)到設(shè)定閾值以下時，繼電器常閉節(jié)點(diǎn)閉合，恢復(fù)正常供電。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

限于篇幅，軟件設(shè)計部分本文只針對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和電源插座終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計，而略去應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖6所示。首先，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)初始化，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收構(gòu)建立無線通信環(huán)境；第二步，等待事件任務(wù)發(fā)生，檢查是否收到終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或者控制中心指令；第三步，將收到的終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心，或者將控制中心的指令轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)。

圖6協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.2門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖7所示。

圖7門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

首先，門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)完成初始化，并加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收建立無線通信環(huán)境；第二步，等待接收RFID的讀卡數(shù)據(jù)或控制中心的指令。若是RFID的讀卡數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給控制中心；若是控制中心的指令，則判斷是開鎖還是閉鎖指令，若是閉鎖指令，則關(guān)閉電磁鎖，并通過LCD顯示相應(yīng)提示信息；若是開鎖指令，則打開電磁鎖，并顯示相應(yīng)的提示信息；第三步，當(dāng)處于開鎖狀態(tài)時，監(jiān)測實(shí)驗室大門的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)大門超過預(yù)設(shè)時間，給實(shí)驗室管理員發(fā)出報警信號，并將報警信息發(fā)送給控制中心。

控制中心設(shè)有數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的建立、刪除、查詢和維護(hù)。當(dāng)收到門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的識別信息時，將其與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，進(jìn)行身份認(rèn)證，若認(rèn)證通過，并且符合開門的預(yù)設(shè)條件（如實(shí)驗臺空閑、設(shè)備工作正常等），則發(fā)送開鎖指令和相應(yīng)的提示信息；否則，發(fā)送閉鎖指令和相應(yīng)的提示信息。同時，可以通過記錄實(shí)驗臺電源的開啟與關(guān)閉時間，自動統(tǒng)計設(shè)備的使用時間，計算設(shè)備的利用率等。

3.3電源插座終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

電源插座終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖8所示。首先，電源插座終端節(jié)點(diǎn)完成初始化，使其處于斷電狀態(tài)，并加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收建立無線通信環(huán)境。第二步，等待接收控制中心的指令，若接收到上電指令，電源插座終端節(jié)點(diǎn)控制插座上電。當(dāng)意外觸發(fā)、違規(guī)操作造成電源短路或過載時，插座終端節(jié)點(diǎn)自動關(guān)閉該插座電源，提供過流保護(hù)，發(fā)出報警信號；同時，將過流狀態(tài)信息發(fā)送給控制中心。若接收到斷電指令，則斷開插座電源。

圖8電源插座終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4系統(tǒng)調(diào)試

將軟件編寫完成以后，可下載到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和電源插座終端節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行測試：

（1）RFID讀卡器能夠正確讀卡，且能夠?qū)⒆x卡數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)發(fā)讀卡數(shù)據(jù)給控制中心，同時，能夠接收控制中心的控制指令和相關(guān)信息，將其發(fā)送給門禁終端節(jié)點(diǎn)；

（2）門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)接收到控制中心的開/閉鎖指令和相關(guān)信息，可以控制電磁鎖的打開/關(guān)閉，并通過LCD顯示相關(guān)的提示信息；

（3）門禁終端節(jié)點(diǎn)可以檢測門的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)電磁鎖處于開鎖狀態(tài)，且門打開時間超過預(yù)設(shè)時間時，可以發(fā)出報警，并將報警信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心；

（4）控制中心給門禁終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出開鎖指令時，同時給指定編號的電源插座終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出上電指令。對應(yīng)的電源插座終端節(jié)點(diǎn)接收到上電指令，能夠接通電源；若電路出現(xiàn)過流，插座可以自動斷電，且可以將對應(yīng)的電源插座編號和過流信息發(fā)送給控制中心；

（5）控制中心給指定編號的電源插座終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出斷電指令時，對應(yīng)的電源插座終端節(jié)點(diǎn)能夠正確接收指令，并關(guān)斷電源。

5結(jié)語

本文介紹了針對高校開放實(shí)驗室的無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座的硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計過程。通過RFID和ZigBee技術(shù)，本系統(tǒng)可以滿足開放實(shí)驗室智能化管理的基本硬件系統(tǒng)要求。當(dāng)然，本系統(tǒng)需要與具體的應(yīng)用程序配合才能在管理系統(tǒng)中最大限度地發(fā)揮其作用，限于篇幅，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計將另外撰文進(jìn)行介紹。

本門禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)與電源插座終端節(jié)點(diǎn)均采用ZigBee技術(shù)，可以很方便地與其它智能感知節(jié)點(diǎn)（如溫濕度、煙霧、雨滴等感知節(jié)點(diǎn)）結(jié)合，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗室的智慧化管理。

參 考 文 獻(xiàn)

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