基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)

李 真，余善恩，陳張平，孫偉華

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018)

當(dāng)前，國內(nèi)許多高校的實(shí)驗(yàn)室，管理手段落后，效率低下，尚未采用各種各樣現(xiàn)代化的管理工具，高校的實(shí)驗(yàn)室管理人員不能夠迅速、整體、精確地控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行程度等一系列的實(shí)驗(yàn)室基本信息；實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的查詢、維修等管理手續(xù)繁瑣。要改變這種不適應(yīng)現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)管理的現(xiàn)狀，需要引入信息化的實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信息化的科學(xué)便捷的管理，并不是一個(gè)全新的課題，目前全球的多個(gè)相關(guān)團(tuán)隊(duì)都進(jìn)行著相似的課題探究，有以下幾種較為穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室信息化操控系統(tǒng):規(guī)劃智能管理系統(tǒng)對(duì)出入實(shí)驗(yàn)室的人員進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有無人進(jìn)行精確的判斷，從而讓實(shí)驗(yàn)室的電源擁有智能閉合的性能；依靠分析攝像頭采集到的數(shù)據(jù)來判斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有人，但這種方法準(zhǔn)確性較低；通過熱釋電傳感器和光敏傳感器等構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室采取分區(qū)檢測(cè)從而進(jìn)行控制，但是此方法布線難度較大，且成本較高。通過對(duì)上述幾種情況進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行智能管理的系統(tǒng)都有著較為復(fù)雜的操作步驟，不能較為簡潔有效地解決實(shí)際問題[1－2]。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展得越來越迅速，校園一卡通系統(tǒng)也成為各個(gè)學(xué)校的基本配置[3]；該系統(tǒng)為學(xué)生、教室、教職工等的管理帶來了巨大的便利[4]。

本文結(jié)合校園一卡通系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室門禁及電源控制，設(shè)計(jì)一個(gè)智能的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)。通過這樣一種手段，可以有效解決目前存在的門禁管理及電源漏洞問題，提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性，降低了學(xué)校的能源消耗。

1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室安全問題隱患分析

在目前高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中，通常有著下列幾種較為常見的安全問題。一是門禁管理的問題，現(xiàn)有門卡少，非持卡人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室流程非常繁瑣，必須去找擁有門卡的老師或者學(xué)生，或者等待他們到實(shí)驗(yàn)室，此種模式非常不利于開放實(shí)驗(yàn)室的管理。其次，所有人都可借卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，不便區(qū)分，一旦實(shí)驗(yàn)室發(fā)生事故責(zé)任無法追究，存在一定的隱患。三是電源方面，實(shí)驗(yàn)室使用大功率電子元器件時(shí)，一旦使用后忘記斷電，輕則減少設(shè)備使用壽命，浪費(fèi)學(xué)校能源，重則直接損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)等，十分危險(xiǎn)。

圖1 高校實(shí)驗(yàn)室安全隱患分析

本文所闡述的基于一卡通的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)正是為解決實(shí)驗(yàn)室管理繁瑣、安全隱患、能源浪費(fèi)等問題提出的。

2 高校實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)

2.1 硬件方案及實(shí)現(xiàn)

在硬件方面，主要實(shí)現(xiàn)了門禁、插卡通電、自動(dòng)斷電3個(gè)功能。1)門禁。硬件門禁模塊如圖2所示，本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，結(jié)合無線通信模塊、識(shí)別讀卡器等實(shí)現(xiàn)電磁開關(guān)的控制，并可以進(jìn)行語音提醒。進(jìn)門必須使用一卡通，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功則成功進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。2)插卡通電。電源總閘模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，與門禁模塊原理近似，也是由單片機(jī)作為控制器，控制繼電器開關(guān)并進(jìn)行聲音提示。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部實(shí)行插卡通電，每個(gè)插座對(duì)應(yīng)一個(gè)卡槽，只有當(dāng)卡槽插入一卡通時(shí)插座才能通電。3)自動(dòng)斷電。系統(tǒng)自動(dòng)掃描插座，當(dāng)檢測(cè)到所有插座都沒有插入一卡通時(shí)，自動(dòng)語音提醒，然后若還是無一卡通插入，半小時(shí)后自動(dòng)斷電。

圖2 硬件門禁模塊圖

圖3 硬件電源總閘結(jié)構(gòu)圖

圖4 硬件插卡插座結(jié)構(gòu)圖

與硬件相關(guān)的有5類關(guān)鍵技術(shù)。1)RFID無線通信技術(shù)。通過射頻信號(hào)完成信息的無線傳輸[5－6]。通過定期檢測(cè)每一個(gè)讀卡器感應(yīng)磁卡是否存在，若存在磁卡則將該信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)(STM32)。2)GPRS技術(shù)。首先由信息采集裝置進(jìn)行相關(guān)信息的采集，隨后數(shù)據(jù)終端在RS232的作用之下將相關(guān)的信息輸送到GPRS數(shù)據(jù)輸送終端，再由GPRS數(shù)據(jù)輸送端口將信息傳輸?shù)皆品?wù)器匯總。3)單片機(jī)。選用STM32開發(fā)板，其功能齊全適合作為主要控制板，價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大，支持串口通信，下載調(diào)試方便，性價(jià)比較高。其通過RF模塊接收讀卡器傳輸?shù)男盘?hào)來控制電源以及門鎖的開關(guān)。4)本地服務(wù)器。選用樹莓派2代B型，其形態(tài)小巧，方便開發(fā)，用其作為服務(wù)器進(jìn)行與云服務(wù)器之間的通信。5)供電部分。單片機(jī)、本地服務(wù)器以及讀卡器通過繼電器與備用電源相連，使其在實(shí)驗(yàn)室斷電情況下仍能工作。

WT588D芯片作為一類語音單片機(jī)芯片，有著較為優(yōu)秀的可反復(fù)擦除重寫的功能，在這樣的情況下，本設(shè)計(jì)優(yōu)先選用WT588D語音芯片對(duì)語音板塊的一系列功能進(jìn)行操控。該芯片不僅適用于PWM輸出，且適用于DAC輸出。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于使用了串口的操控形式，因此選取PWM輸出的形式。

在讀卡的模塊則運(yùn)用CY－14443A。CY－14443A是以ISO14443標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的零觸碰式讀卡裝置專屬芯片。它對(duì)模擬調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行了高度的集成，因此僅僅需要接入小部分外部電路就能夠運(yùn)行，且對(duì)UART端口完美適配。因此，可以使用UART端口，對(duì)一卡通信息進(jìn)行辨識(shí)。

無線模塊則通過CC1101完成，它集成了一個(gè)對(duì)程序可編寫的調(diào)制解調(diào)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2－FSK、GFSK以及MSK多種調(diào)制形式進(jìn)行操作，有著500 Kbps的傳輸速度。在此基礎(chǔ)之上，它還有較為高效的輸出功率；對(duì)鄰道功率(ACP)的功能進(jìn)行了增強(qiáng)，避免了信號(hào)較近時(shí)的堵塞現(xiàn)象。

圖5 硬件總體架構(gòu)圖

若是一卡通持有者在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)出入實(shí)驗(yàn)室，將卡片裝入相應(yīng)卡槽時(shí)，由控制節(jié)點(diǎn)對(duì)卡片的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并完成有效分析，對(duì)信息的正確性以及時(shí)效性進(jìn)行判斷，若是正確且時(shí)間合理，就會(huì)打開總電源并智能完成開門操作，若錯(cuò)誤，則無任何反應(yīng)。取出卡片后，用語音的形式對(duì)后續(xù)人員進(jìn)行提醒，若門開后幾分鐘內(nèi)無人員通過則自動(dòng)進(jìn)行關(guān)門操作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于校園一卡通的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)主要由軟件與硬件兩部分組成，其中軟件對(duì)學(xué)生版與老師版有不同功能[7]。

1)學(xué)生端具體功能介紹。

學(xué)生端app主要實(shí)現(xiàn)的是查詢和申請(qǐng)功能。

查詢門禁狀態(tài):在app中，可通過視圖界面，一鍵發(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器，服務(wù)器受理請(qǐng)求，向客戶端反饋當(dāng)前門禁狀態(tài)數(shù)據(jù)，客戶端app再解析數(shù)據(jù)，以視圖方式顯示當(dāng)前門禁狀態(tài)。

門禁權(quán)限申請(qǐng):如果是非實(shí)驗(yàn)室人員，或?qū)嶒?yàn)室成員忘記帶一卡通的情形，可在客戶端通過一鍵申請(qǐng)的方式，向服務(wù)器發(fā)送權(quán)限請(qǐng)求，服務(wù)器端再將請(qǐng)求推送給老師客戶端以供審核。若審核通過，方可開門。

圖6 軟件管理流程

2)教師端具體功能介紹。

查詢功能:在app中，教師端可通過視圖界面，一鍵發(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器申請(qǐng)考勤記錄或?qū)嶒?yàn)室門禁出入記錄數(shù)據(jù)，服務(wù)器再向客戶端反饋所需數(shù)據(jù)并在app頁面中顯示。

權(quán)限授予:當(dāng)有從學(xué)生端的權(quán)限申請(qǐng)通過服務(wù)器推送到教師端時(shí)，app會(huì)自動(dòng)通知教師，教師再接受并處理該申請(qǐng)，并反饋給服務(wù)器，服務(wù)器再將審核結(jié)果反饋給學(xué)生端，并對(duì)門禁硬件模塊發(fā)出相應(yīng)指令。

3)管理員端具體功能介紹。

管理員端擁有在web上更改數(shù)據(jù)庫資料的權(quán)限，包括實(shí)驗(yàn)室人員一卡通信息的錄入或刪除。其次，管理員端可查詢或刪除各項(xiàng)記錄數(shù)據(jù)，也可對(duì)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如若發(fā)生用電異常，可通過服務(wù)器端控制實(shí)驗(yàn)室總閘開關(guān)。

在軟件的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，主要運(yùn)用了Android客戶端以及WEB后臺(tái)兩種技術(shù)。Android客戶端運(yùn)用Afinal開源開發(fā)框架、Fastjson包等一系列相關(guān)技術(shù)；Web后臺(tái)則主要涉及Spring MVC框架、Spring Data Jpa、MyBatis數(shù)據(jù)持久層框架、MySQL數(shù)據(jù)庫、Apache Maven包管理模塊、Junit單元測(cè)試模塊、Thy me leaf模版引擎、阿里 Elastic Compute Service等技術(shù)[8]。

2.3 整體技術(shù)架構(gòu)

展現(xiàn)層對(duì)請(qǐng)求獲取以及結(jié)果展現(xiàn)進(jìn)行負(fù)責(zé)，一般情況下，展現(xiàn)層有Spring MVC以及Struts2兩種結(jié)構(gòu)，Spring結(jié)構(gòu)可以同Spring Web Flow完美適配，同時(shí)它也設(shè)置有MVC板塊，能夠較為流暢運(yùn)行Web軟件且具有容易開發(fā)的特性[9]。服務(wù)層也是業(yè)務(wù)層，負(fù)責(zé)請(qǐng)求處理，數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行事務(wù)管理和日志管理。持久層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的訪問和操作，使用各種框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[10]，如JDBC數(shù)據(jù)庫連接，Hibernate和Spring Data Jpa。

圖7 技術(shù)架構(gòu)圖

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于當(dāng)前已經(jīng)成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及校園一卡通技術(shù)，解決實(shí)驗(yàn)室門禁管理上的漏洞和實(shí)驗(yàn)室的用電規(guī)范問題，將用電導(dǎo)致的安全隱患降到了最低，并且可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)地對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行考勤、查詢實(shí)驗(yàn)室人員狀況以及其他一些信息。本文所規(guī)劃的系統(tǒng)目前已投入到本校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際運(yùn)用中，表現(xiàn)優(yōu)秀，不但可以在學(xué)校中運(yùn)用，也可以在各種企業(yè)以及公司得到完美的發(fā)揮，并且在節(jié)能方面有著極高的效益[11－12]。

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