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）

0 引 言

隨著窄帶物聯(lián)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(shù)據、物聯(lián)網、互聯(lián)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(shù)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)。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。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(xiàn)。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(shù)據傳輸?shù)腘B-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。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

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??；小尺寸的主控板也使得終端的尺寸相對較小。Mega2560 Pro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(shù)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(shù)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(shù)字接口作為通信接口使用。Mega2560 Pro產品參數(shù)見表1所列。

表1 Mega2560 Pro產品參數(shù)

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?shù)轿锫?lián)網平臺。NB-IoT模塊采用谷雨物聯(lián)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。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?？捎茫梢赃M行數(shù)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)。

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(shù)據接口，與主控的RXD連接；模塊的RXD為發(fā)送數(shù)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(lián)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(shù)據發(fā)送與接收都按照一定的指令格式打包。解析數(shù)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(shù)據包格式、命名包格式以及結束包模式。指令包和數(shù)據包包括：包頭、芯片地址、包標識、包長度；數(shù)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(shù)據包，數(shù)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。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(shù)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(shù)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。光學指紋識別模塊的原理如圖2所示。

圖2 光學指紋識別模塊原理

2.4 門禁鎖

系統(tǒng)利用電磁鎖代替普通機械鎖，實現(xiàn)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。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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)之一，系統(tǒng)采集電壓并將數(shù)據傳輸?shù)狡脚_。主控的模擬接口最大輸入電壓為5 V，因此利用電阻串聯(lián)分壓的方式采集電壓。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(lián)分壓電路中串聯(lián)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。

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。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IC接口顯示屏。IC接口顯示屏加上電源線總共四根線即可實現(xiàn)數(shù)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IC時鐘信號線；SDA為IC數(shù)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?shù)轿锫?lián)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。

圖3 系統(tǒng)主程序流程

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(xiàn)身份識別。利用LCD顯示屏和語音播報模塊實現(xiàn)了友好的人機交互界面。利用NB-IoT模塊實現(xiàn)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。