基于身份識別的交互性智能無人變電站門禁系統(tǒng)研制

國網(wǎng)江西省電力有限公司九江供電分公司 曹 怡 胡曉斌 徐 波 黃 翔 余 斐 劉新偉 柳 華 胡怡沛 葉 莎

針對目前變電站常規(guī)鎖存在的許多弊端，本文設(shè)計了一個基于IC卡的身份識別及登記裝置、管理著“明碼與暗碼”的控制裝置、通過明碼檢索暗碼的電子鑰匙管理系統(tǒng)和物理鎖組成的交互性智能變電站門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過“明碼與暗碼”的控制裝置和“非聯(lián)網(wǎng)型”電子鑰匙管理系統(tǒng)的手機APP軟件相互配合，可以實現(xiàn)運維人員“隨時隨地”遠程許可變電站工作人員開門，節(jié)省公司的人力、物力和財力。此外，本系統(tǒng)采用電子鑰匙和物理鑰匙兩種方式開鎖，在電子鑰匙出現(xiàn)故障的緊急情況下，可使用物理鑰匙開鎖，這極大地提高了開鎖的可靠性。并且變電站管理機及后臺機能實時監(jiān)控該門禁系統(tǒng)的刷卡信息和運行狀態(tài)，以便于維護和檢修。本文所設(shè)計的門禁系統(tǒng)現(xiàn)已實現(xiàn)，且達到預期效果。

0 引言

本文專門針對無人值守變電站研發(fā)的一款互動性智能門禁系統(tǒng)，與九江市裕豐維操站合作并試點運行，裕豐維操站目前管理著包括220kV裕豐變電站在內(nèi)的10多個無人值守變電站。變電站常規(guī)鎖存在的一些弊端：變電站存在許多不需要運維人員到達現(xiàn)場的工作，然而運維人員必須到變電站只為工作人員開門，浪費了公司的人力、物力和財力，特別是目前每個維操站的值班人員僅僅只有4-5人左右，工作壓力較大；維操站管理的變電站鑰匙過多，不便于管理，易丟失，運維人員需浪費大量的時間尋找；變電站大門、高壓室和主控室“一匙通”存在借用頻繁，鑰匙容易丟失及責任無法追究等風險；常規(guī)鎖無法對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控（陳丹.公寓智能門鎖管理系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[D].北京:中國科學院大學,2016）。本文設(shè)計的變電站門禁系統(tǒng)針對上述弊端的解決方案如下：運維人員可以遠程“隨時隨地”許可工作人員開門，不僅能避免運維人員來回奔跑，而且工作人員也能更高效地工作；變電站門禁系統(tǒng)采用“電子鑰匙”進行開鎖，避免了鑰匙管理混亂，節(jié)約找鑰匙的時間（馬園園.人臉識別技術(shù)與考勤系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].南京:南京郵電大學,2017;郜幔幔,歐陽森,王克英.變電站空調(diào)和照明系統(tǒng)節(jié)電改造優(yōu)化建模研究[J].電工電能新技術(shù),2016,35(09):60-66;沈瑜,岳園園,張一戈,等.智能用電技術(shù)路線圖規(guī)劃與技術(shù)評估跟蹤管理[J].電工電能新技術(shù),2016,35(03):54-61.）；變電站門禁系統(tǒng)基于公司飯卡的IC卡（存儲姓名、編號及部門等信息）對進入變電站工作人員進行身份識別及登記，以便責任可追究（馬祥,黃冬林,李貽,等.基于51單片機的非接觸式lC門禁卡設(shè)計[J].電子世界,2017,18:102-103）；變電站門禁系統(tǒng)運行狀態(tài)能實時被監(jiān)控，如發(fā)生故障可及時對其進行維護與更換（徐生.基于微信硬件平臺的酒店只能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2017）。

1 變電站門禁系統(tǒng)組成及通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 變電站門禁系統(tǒng)組成部分

變電站門禁系統(tǒng)主要分為身份識別及登記裝置、控制裝置、電子鑰匙管理系統(tǒng)和物理鎖四大模塊（黃兢輝.智能監(jiān)控與智能門禁安防系統(tǒng)構(gòu)建[D].南寧:廣西大學,2017;K.U.Maheswari and J.K.Chaithanya,An ARM based Door Phone Embedded System for Voice and Face Identification and Verification by Open CV and Qt GUI Framework,International Journal of Computer Applications(0975-8887),vol.91,no.13,April 2014;姚偉偉,姚玲,解振永.基于TCP/IP的智能門禁控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電腦知識與技,2017,13(30):176-177），組成部分如圖1所示，實物圖如圖2所示。工作人員進行身份識別及登記后，再通過控制裝置執(zhí)行運維人員的指令，利用電子鑰匙(運維人員提供暗碼作為電子鑰匙)進行開門。

圖1 變電站門禁系統(tǒng)組成部分

圖2 變電站門禁系統(tǒng)實物圖

1.2 變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)以裕豐維操站例，如圖3所示。裕豐變電站每個區(qū)域的門禁系統(tǒng)（大門、主控室、繼保室等）通過485協(xié)議通信將變電站工作人員刷卡情況上至本地門禁系管理機和維操站門禁系統(tǒng)管理機中，并且運維人員可以在維操站門禁系統(tǒng)管理機上遠程控制變電站每個區(qū)域門禁系統(tǒng)（黃輝,喻強,陳翰,等.終端通信通入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源分配策略研究[J].電子器件,2017,02(40):425-429）。裕豐維操站管理的其它無人值守變電站與裕豐變電站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)類似，就不一一說明。

2 變電站門禁系統(tǒng)主要內(nèi)容

2.1 身份識別及登記裝置

可采用人臉識別、指紋識別裝置進行身份識別及登記，這也是目前市場上普遍采用的身份識別及登記裝置。但該身份識別及登記裝置成本較高，本文采用公司員工的IC卡進行身份識別及登記裝置，如圖4所示。IC卡儲存著員工的基本信息（姓名、所屬部門等），最關(guān)鍵的是不需要技術(shù)人員經(jīng)常到變電站現(xiàn)場更新其數(shù)據(jù)，這樣大大降低了裝置成本。該IC卡身份識別及登記裝置為某公司的現(xiàn)成品，刷卡登記的數(shù)據(jù)可以選擇利用485串口協(xié)議與變電站管理主機連接，實時監(jiān)控變電站每個門禁刷卡的情況；也可以選擇采用SD卡存儲每個門禁刷卡的信息，這樣比較麻煩，但成本會相對減小。

圖3 裕豐維操站門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

圖4 身份識別及登記裝置

2.2 控制裝置

2.2.1 控制裝置簡介

本系統(tǒng)的控制裝置主要是STM32或51單片機芯片對其進行控制（馬巧梅.基于STC89C52的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械制與自動化,2017,46(05):235-238;Chi-Huang Hung,Ying-Wen Bai,Je-Hong Ren,Design and Implementation of a Door Lock Control Based on a Near Field Communication of a Smartphone,978-1-4799-8745-0/15/31.00,2015 IEEE），管理著一一對應(yīng)的“明碼與暗碼”，這也是本系統(tǒng)核心部分，如圖5所示。該控制裝置的控制開門流程如下：工作人員在變電站門口進行身份識別及登記后，控制裝置上會隨機地顯示四位數(shù)字的明碼，工作人員通過社交軟件（電話、微信等）將顯示出的明碼發(fā)送給運維人員；運維人員通過“電子鑰匙管理系統(tǒng)”（一款非聯(lián)網(wǎng)型的手機APP軟件），將四位數(shù)字的明碼輸入，則相應(yīng)的電子鑰匙（四位數(shù)字的暗碼）就會顯示出來，并將暗碼發(fā)送給工作人員，工作人員在控制裝置上輸入正確的暗碼，即可開鎖。

圖5 控制裝置實物圖

開鎖后1min鐘之內(nèi)工作人員必須進入變電站，否則門重新關(guān)閉，這樣可以防止非工作人員偷偷潛入，給變電站正常運行造成不確定的因素。工作人員進行身份識別及登記后，10min之內(nèi)必須輸入正確的暗碼，否則需重新進行身份識別及登記，主要目的是節(jié)約電和避免非許可人員亂按鍵解鎖。工作人員在輸入正確的暗碼后，8h內(nèi)不必再次讓運維人員許可開門，只需進行身份識別及登記，和輸入第一次的暗碼既可開鎖，目的主要是避免工作人員出去吃飯，回來還需要再次許可開門，造成不必要的麻煩。

2.2.2 控制裝置原理

控制裝置的原理圖如圖6所示。該控制裝置的電源采用交流饋線屏1引入220V交流電，經(jīng)過AC/DC整流模塊變換為12V的直流電，分為三路：一路給身份識別及登記裝置供電，一路給物理鎖供電，最后一路經(jīng)DC/DC直流模塊變換為5V的直流電給控制裝置供電。為了保證當交流失電的情況下該控制裝置還能持續(xù)運行10h以上，于是在12V的直流電之間并聯(lián)了一組12V的鋰電池。P0.0與P0.1作為身份識別輸入管腳，兩者互為備用，增加身份識別的可靠性；P0.2、P0.3和P0.4作為138譯碼器的輸入管腳，控制數(shù)碼管的8位公共腳，P1輸出數(shù)碼管需要顯示的數(shù)值；P0.5和P3.1作為電子鑰匙輸出管腳，且兩者互為電子鑰匙的備用輸出管腳，增加開鎖的可靠性，通過控制KSJ1和KSJ2繼電器的通斷來控制物理鎖的開啟，同時P3.0作為電子鑰匙的輸出指示燈管腳；P0.7為物理鎖開啟狀態(tài)輸入管腳，同時P0.6為物理鎖開啟狀態(tài)的輸出指示燈管腳；P3.2為裝置異常的輸出管腳，同時P3.3為裝置異常的輸出指示燈管腳；P2為16位矩陣按鍵的管腳，可通過其輸入四位數(shù)字的暗碼。

圖6 控制裝置原理圖

2.2.3 門禁系統(tǒng)遙信回路

門禁系統(tǒng)的遙信回路如圖7所示。將門禁的信號（直流電源消失、交流電源消失、開鎖回路啟動等）以硬接點的方式接到變電站公共測控屏遙信端子上，通過后臺機來監(jiān)控其運行狀態(tài)，便于維護與檢修。也可以在變電站設(shè)一個單獨測控裝置，專門監(jiān)控變電站每個區(qū)域的門禁系統(tǒng)的運行情況。

圖7 門禁系統(tǒng)遙信回路

2.3 電子鑰匙管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計了一款手機APP軟件對“電子鑰匙”進行管理，運維人員利用這款手機APP軟件通過輸入明碼查找暗碼，從而對進入變電站的工作人員進行遠程許可(通過電話發(fā)送暗碼)開鎖。該電子鑰匙管理系統(tǒng)分為兩部分：一部分是管理區(qū)，可以修改或增加明碼對應(yīng)的暗碼，每個維操站都配備對應(yīng)不同的明碼與暗碼，如圖8所示；另一部分為用戶區(qū)，分為賬戶登入界面和明碼檢索暗碼界面，如圖9所示。

圖8 電子鑰匙管理系統(tǒng)管理區(qū)

圖9 電子鑰匙管理系統(tǒng)用戶區(qū)

3 試驗結(jié)果

變電站門禁系統(tǒng)的開門演示如下：工作人員到變電站身份識別及登記后，控制裝置會隨機地顯示5110的明碼，如圖10所示，再通過電話聯(lián)系運維人員，并告訴其顯示四位數(shù)字的明碼；運維人員則登入自己的“電子鑰匙管理系統(tǒng)”的賬號及密碼，并在電子鑰匙管理系統(tǒng)“搜索界面”尋找四位數(shù)字的明碼對應(yīng)的暗碼，如圖11所示，運維人員通過電話聯(lián)系工作人員，并告訴搜索的四位數(shù)字的暗碼；工作人員在控制裝置上輸入明碼對應(yīng)的7001暗碼，即可開鎖，同時點亮左邊的led燈，如圖12所示。

圖10 控制裝置顯示的明碼

圖11 明碼對應(yīng)的暗碼

圖12 控制裝置顯示的明碼對應(yīng)的暗碼

4 結(jié)論

4.1 項目成效與應(yīng)用前景

(1)本系統(tǒng)的使用在一定程度上緩解了目前任務(wù)多、運維人員不夠的難題，避免了在人力、物力和財力上不必要的浪費?？梢噪娫捲S可等不需要運維人員到現(xiàn)場的工作任務(wù)，運維人員可以遠程“隨時隨地”許可工作人員開門，避免了工作人員的等待時間，提高了工作效率。

(2)變電站管理機通過485串口能實時監(jiān)控變電站每個區(qū)域的門禁系統(tǒng)刷卡情況，達到對進入變電站工作人員的有效監(jiān)控。并且將門禁系統(tǒng)的運行狀態(tài)(裝置異常、裝置失電、開鎖回路啟動等)以硬接點的方式接到變電站公共測控屏遙信端子上，通過后臺機來監(jiān)控其運行狀態(tài)，便于維護與檢修。

(3)本系統(tǒng)可以根據(jù)變電站每個區(qū)域不同的要求，設(shè)計不同的功能，這樣可以節(jié)約成本，使其更加高效地工作。例如，變電站主控室的門禁系統(tǒng)相比大門的門禁系統(tǒng)并不需要“運維人員許可”這項功能，從而可以減少許多不必要的元器件，工作人員可以直接刷IC卡進行身份識別及登記進入。

(4)電子鑰匙管理系統(tǒng)的使用，避免了變電站的鑰匙管理混亂，“一匙通”借用頻繁、丟失等問題。

(5)本系統(tǒng)采用電子鑰匙和物理鑰匙兩種方式開鎖，在電子鑰匙出現(xiàn)故障的緊急情況下，可使用物理鑰匙開鎖，這極大地提高了開鎖的可靠性。

目前與裕豐220kV變電站進行合作，逐步更換變電站的門禁（包括大門、主控室和高壓室等），最終目標是更換整個江西變電站、乃至全國變電站的常規(guī)鎖。該交互性智能變電站門禁系統(tǒng)相比常規(guī)鎖增加了投資成本，但可以使變電站更加智能、安全可靠，管理更加方便。