關(guān)于高校實驗室門禁及燈光管理控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

王安凱 潘學美 張良

摘要：本文主要研究實驗室門禁和燈光管理控制的綜合系統(tǒng)，當有人要進入實驗室時，需要提前登陸實驗室門禁綜合管理系統(tǒng)進行申請，經(jīng)過管理系統(tǒng)認可后，則將申請人的指紋錄入指紋采集系統(tǒng)，而后申請者只需要用自己的指紋即可打開門禁，同時還可以結(jié)合SIM900A以短信密鑰形式遠程打開實驗室門禁。實驗室智能燈光系統(tǒng)可以通過不同的反饋控制信號來感知人體所在位置，做出相應(yīng)處理，進行智能亮燈，最大程度的實現(xiàn)智能化和成本最小化。

關(guān)鍵詞：GSM短信輔助服務(wù);實驗室門禁;燈光控制;智能化

引言

傳統(tǒng)的高校實驗室有很大部分是依靠一定的人力資源來管理實驗室，耗時耗力，效率較低，隨著信息技術(shù)迅速發(fā)展，實驗室的使用也應(yīng)該更加趨于智能化，而運用實驗室智能系統(tǒng)能夠極大的提高自動化水平，使實驗室的管理趨智能化，降低成本，還能夠增加師生的自主性，而選用什么打開門禁是我們研究的重要方向之一。本文中介紹使用指紋識別的方式進行門禁控制，因為指紋系統(tǒng)在我國高校使用較少，但其在實驗室門禁范疇應(yīng)用價值很大，其在預(yù)處理，特殊標志的提取及匹配識別環(huán)節(jié)等方面還需要一定的技術(shù)完善，高校實驗室門禁指紋應(yīng)用有較大的開發(fā)鉆研開發(fā)前景。

實驗室智能化的普及可以融入燈光控制系統(tǒng)，更加人性化的燈光智能控制，從開始申請進入實驗室到在實驗室中工作學習的一系列過程中都是智能化的控制，讓師生體驗更加舒適的實驗室環(huán)境。

1系統(tǒng)整體設(shè)計方案

上圖為系統(tǒng)整體規(guī)劃方案，首先將申請人的指紋錄入系統(tǒng)，申請人的指紋應(yīng)進行多次錄入，盡可能的采集到申請人的所有指紋信息，將其錄入系統(tǒng)中，這樣可以大大降低指紋驗證失敗的概率。當申請人到達實驗室時可進行指紋識別驗證，驗證成功則可以成功打開門禁，進入實驗室學習和工作，同時還有備用應(yīng)急方案，由于指紋系統(tǒng)當前應(yīng)用程度不夠廣泛，如果驗證失敗，則可以啟用短信密鑰服務(wù)，通過用戶手機上高度成熟化的門禁app進行獲取短信密鑰，進而開啟實驗室。當實驗室門禁被打開后，實驗室自動上電，燈光控制系統(tǒng)隨即開始運行工作，當遠距離紅外檢測到人流時，發(fā)送給主控制器，有主控制器進行判斷處理，定位到申請人所在的位置，將對相應(yīng)位置的燈進行處理，燈光持續(xù)亮，一段時間后，進行紅外二次掃描，并且每隔一段時間掃描一次，實時反饋，實時控制各個位置的燈光亮滅，門禁app是物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的具體應(yīng)用，它可以記錄用戶當前的狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給后臺，實時監(jiān)測實驗室中人數(shù)是否達到飽和，為主控制器的指令的下達提供有價值的參考。同時該系統(tǒng)可以在白天和晚上實現(xiàn)光的明暗的調(diào)節(jié)，對外界光線具有極強的自適應(yīng)能力，自動實現(xiàn)全開全關(guān)等功能，最大程度節(jié)約能源。

2系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1門禁系統(tǒng)

2.1.1 指紋模塊電路

電源電路中，使用AIC系列的兩個穩(wěn)壓芯片。AIC1722-33是低壓線性穩(wěn)壓芯片，具有較高精度。從空載一直到達最大負載條件的過程中，電流一直保持在0.055MA。輸出電壓為3.3v。

AIC1730-18是在使用時噪聲很低，電壓差很低的符合線性規(guī)律的穩(wěn)壓芯片，內(nèi)部MOSFET晶體管能夠完成當負載電流為50MA時可以達到90MV的低電壓差，使得輸出電壓具有極高的精度。相對低的靜態(tài)電流和低壓差電壓使該器件可以作為理想器件用于電池供電使用，可以連接到外部電容旁銷噪聲，為了減少噪聲電平的輸出。輸出電壓為1.8V.

2.1.2指紋模塊主控芯片

指紋模塊主控芯片可以使用ATK-AS608指紋識別模塊，它屬于一款高性能光學辨認模塊。內(nèi)置dsp單元集成了指紋識別的計算機算法，同時該模塊包含特征文件緩沖區(qū)和圖像緩沖區(qū)，用于指紋的儲存和匹配識別。它含有串口和usb通信接口，方便操作，通過一定的通訊協(xié)議即可控制模塊，穩(wěn)定性優(yōu)異。

2.1.3.短信密鑰輔助系統(tǒng)

短信密鑰輔助系統(tǒng)采用SIM900A模塊，該模塊具有高性能的GSM/GPRS模塊可以實現(xiàn)低功耗語音，大大節(jié)約能源，SMS短信，數(shù)據(jù)的傳輸。同時，該系統(tǒng)可應(yīng)用于高度成熟化的門禁app上，通過門禁app進行短信密鑰的獲取，使得門禁系統(tǒng)更加完善，極大地彌補了指紋門禁系統(tǒng)的不穩(wěn)定的缺點，保證門禁系統(tǒng)能夠持續(xù)高效的運行。

關(guān)于短信密鑰獲取方法如下：

2.2燈光控制系統(tǒng)

2.2.1燈控電路設(shè)計

（1）熱釋紅外傳感器檢測電路：

該電路選用熱釋紅外傳感器檢測模塊，熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成，具有抗電磁干擾功能：探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，當實驗室中的人員使用手機時，不會因為手機產(chǎn)生的電磁干擾而發(fā)生誤判。同時具有抗燈光干擾功能：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射，不產(chǎn)生報警。此模塊完全不受燈光管理系統(tǒng)的干擾，穩(wěn)定性優(yōu)異。熱釋紅外線傳感器對人體的敏感度檢測與人們的移動防線有極大關(guān)系。熱釋紅外傳感器對于縱向移動反應(yīng)最不敏感，而對于橫方向（即與半徑垂直的方向）移動則最為敏感.因此，這要求我們在安裝熱釋紅外傳感時需要綜合多方因素考慮，選擇最佳位置。在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。

用于檢測實驗室內(nèi)是否已經(jīng)有申請者進入，若果有人進入，則該模塊進行工作，尋找實驗室內(nèi)人的具體位置，根據(jù)每個模塊的安裝位置不同，反饋到主控制器的信號也有區(qū)分，通過反饋信號來進行定位當前工作者的位置，主控制器做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，對燈光管理控制系統(tǒng)下達指令，做出最合理的亮燈處理。

（2）電源供電電路：

電源電路給系統(tǒng)提供各部分所需電源，將生活用電220v交流電通過整流電路整流以及降壓電路壓變成+18v，+5v，+3.6v直流電。這些電壓分別供驅(qū)動電路，各個集成模塊電路和其他電路使用。

（3）環(huán)境光檢測電路：

采用GY-302光敏模塊檢測室內(nèi)光照強度，該模塊具有極高的光敏度，對檢測光強十分有用，直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計算省略標定，不對環(huán)境光源進行區(qū)分，接近于人體視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定。同時該模塊支持標準NXP IIC通信協(xié)議，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，與5v單片機io直接連接，但其中的BH1750模塊無法區(qū)分四個Lux之間的亮度差異（例如，450，453）。因此，從芯片寄存器中所讀取的數(shù)值與真實值之間的差異最大值為四。當光傳感器完全暴露在機構(gòu)的設(shè)計中或當光傳感器從完全透明屏蔽改變?yōu)椴煌耆该髌帘螘r，可以進行透射率設(shè)置，此時由光傳感器測來給你的亮度值不受影響。但測量精度可以得到調(diào)整。

（4）燈光驅(qū)動電路：

當外部光強很弱時，此時檢測到室內(nèi)有人，自動打開燈光控制系統(tǒng)是必要的，同時需要驅(qū)動電路進行燈光驅(qū)動;因為單片機的正常工作電壓為直流3.3-5.5v，生活用電為交流220v，所以需要一個中間繼電器來控制光源。通過單片機在合適條件下將低電平信號輸送給驅(qū)動模塊，進而控制繼電器的閉合與斷開，通過強電控制弱電以此實現(xiàn)對光源的控制。

（5）硬件時鐘電路：

設(shè)計一個時間電路，選用DS1302集成電路，它外圍原件少，與單片通訊采用串行口方式，具有很好的精度，根據(jù)室內(nèi)燈光使用時間及具體分配情況，系統(tǒng)還應(yīng)受到時間的限制，一個良好的控制系統(tǒng)的運行時間應(yīng)該滿足人們相應(yīng)的工作要求，所以，我們需要一個時鐘集成電路控制系統(tǒng)的運行時間，當在夜晚無人進入實驗室時，時鐘電路可以時門禁系統(tǒng)和燈光管理控制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，只開啟紫外燈控制電路進行殺菌消毒，在第二天到來時，門禁系統(tǒng)和燈光管理控制系統(tǒng)重新被激活，將紫外燈控制電路進行關(guān)閉。最大程度節(jié)約了實驗室資源。同時還要有功率損耗保護電路，以此來保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（6）保護電路

開關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會形成很大的浪涌電流，特別是大功率開關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達100A以上。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強這方面的保護也非常重要，驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入、保護LED不被損壞的能力。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點燒壞，整流橋過流損壞;輕者也會使空氣開關(guān)合不上閘。此外，由于外界環(huán)境的影響，電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌信號，有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此，我們需要一個防止流涌電流的軟啟動電路，以保證電源正常運行。本電路用負溫度系數(shù)熱敏電阻來限制電流的突變，利用正溫度系數(shù)熱敏電阻自動調(diào)節(jié)電流大小，使之趨于某個特定的變化范圍，同時在電源輸入端并有瞬態(tài)電壓抑制器以避免電壓過載。

（7）紫外燈控制電路

燈光控制系統(tǒng)還接入了紫外燈觸發(fā)電路，當深夜時分，無人進入實驗室學習或工作時，紫外燈控制電路就會被觸發(fā)，此時門禁及燈光管理控制系統(tǒng)均處于休眠狀態(tài)，因此本電路不會影響其他系統(tǒng)的正常運作，該電路在夜晚被觸發(fā)，利用紫外線進行消毒殺菌，極大的提改善了實驗室的環(huán)境質(zhì)量。

實驗室燈光控制系統(tǒng)同門禁系統(tǒng)相結(jié)合可以更好的實驗室的智能化，大大減少人力成本的投入，加入了紫外燈控制電路可以有效改善實驗室的環(huán)境質(zhì)量，給進入實驗室的人提供了更高的安全保障。本系統(tǒng)使得實驗室具有更加便捷的管理方式，盡可能大增加實驗室的利用率，有利于本領(lǐng)域更好的發(fā)展。

本論文由臨沂大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助

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作者簡介：王安凱（1997.11.14——），性別：男，民族：漢族，籍貫：山東省青島市平度市，學校：臨沂大學。

項目編號：201810452050。

（作者單位：臨沂大學）