劉 濱

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌330013）

0 引言

針對(duì)目前高校實(shí)驗(yàn)室，使用人員有管理員、教師、學(xué)生等，進(jìn)入時(shí)間既有正常工作時(shí)間，也有晚上、周末等課余時(shí)間，而且實(shí)驗(yàn)室還要學(xué)生進(jìn)行開放，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高效、安全、便捷的管理變得復(fù)雜[1]。實(shí)驗(yàn)室的開放，主要是對(duì)門開放，而門禁系統(tǒng)主要有門磁和電磁鎖兩種方式[2]，權(quán)限管理主要有卡式和指紋兩種，采用門磁方式存在的主要問(wèn)題是市電停電，門磁即失效，安全沒保證。采用卡式權(quán)限控制存在的主要問(wèn)題是對(duì)卡的管理變得復(fù)雜。

為此本系統(tǒng)針對(duì)不改變傳統(tǒng)房門的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)為對(duì)鑰匙的智能管理來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本、安裝快捷方便、管理簡(jiǎn)單高效的智能門禁。通過(guò)指紋識(shí)別技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)鑰匙的使用權(quán)限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室智能管理。

1 系統(tǒng)方案及架構(gòu)

本方案旨在通過(guò)嵌入式軟件硬件結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)的支撐下，形成網(wǎng)絡(luò)化的智能鑰匙管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)化智能鑰匙管理是基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)的智能化信息管理系統(tǒng)，是綜合多元化的鑰匙管理工作的需求，在充分分析研究了高校實(shí)驗(yàn)室管理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，是基于實(shí)際工作環(huán)境的研究設(shè)計(jì)，目的就是為了規(guī)范實(shí)驗(yàn)室的日常管理[3]，減輕管理人員一些瑣碎的工作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理的特點(diǎn)及功能需求，系統(tǒng)分為4大功能版塊，如圖1所示。

圖1 功能板塊圖

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室鑰匙管理需求，以及在鑰匙管理上帶來(lái)的管理服務(wù)，解決方案如圖2所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案，本系統(tǒng)共分為三個(gè)部分，分別是實(shí)驗(yàn)室鑰匙柜，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，后臺(tái)服務(wù)器。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室鑰匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而設(shè)計(jì)的，主要包括STM32F103ZET6[4]中央控制器模塊，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊，指紋采集模塊，電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 解決方案圖

圖3 電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 嵌入式處理器

STM32嵌入式處理器是ST公司基于ARM Crotex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6STM32嵌入式處理，該處理器運(yùn)行最快速度能夠達(dá)到72MHz。

內(nèi)部集成了512K的閃存程序存儲(chǔ)器，以及高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式[5]。根據(jù)STM32數(shù)據(jù)手冊(cè)[6]，該處理器在IO方面多大112個(gè)快速IO，所有IO都支持中斷處理，同時(shí)還配有13個(gè)通信接口，內(nèi)部集成了5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、1個(gè)SDIO接口，F(xiàn)SMC和USB接口。這些豐富的外設(shè)資源使得這款芯片非常適合與本系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)又提供了非常方便的后續(xù)升級(jí)和維護(hù)。

2.3 指紋驗(yàn)證模塊

本系統(tǒng)的指紋采集模塊主要用于進(jìn)入系統(tǒng)采集驗(yàn)證指紋，當(dāng)指紋驗(yàn)證正確的時(shí)候，鑰匙柜自動(dòng)打開電磁鎖，教師便從柜子里面拿取實(shí)驗(yàn)室鑰匙柜的鑰匙。管理員也可以通過(guò)指紋驗(yàn)證進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)鑰匙柜進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。

本系統(tǒng)采用的FM-180指紋采集塊，F(xiàn)M-180屬于高亮背景光學(xué)頭指紋識(shí)別設(shè)備，采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。

指紋采集塊和STM32是通過(guò)USART1來(lái)通信的，雙方的通信按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STM32的指令、模塊的應(yīng)答以及數(shù)據(jù)交換都是按照規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包來(lái)進(jìn)行的。主機(jī)必須按照通信協(xié)議要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按協(xié)議解析收到的數(shù)據(jù)包。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

本系統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊，主要是向管理服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和報(bào)表。將數(shù)據(jù)正確發(fā)送到以太網(wǎng)、將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)正確接收到是本網(wǎng)絡(luò)模塊的關(guān)鍵。要在以太網(wǎng)上正確傳輸數(shù)據(jù)，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是必不可少的，而TCP/IP協(xié)議是首選。使用完整的TCP/IP協(xié)議當(dāng)然能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求，但由于本系統(tǒng)使用了嵌入式硬件和軟件系統(tǒng)，其資源有限，因此必須對(duì)協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)。所以，本系統(tǒng)要針對(duì)STM32嵌入式硬件進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的嵌入以及設(shè)計(jì)應(yīng)用層的協(xié)議。

目前基于STM32嵌入式控制器的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)都是嵌入是UIP協(xié)議。UIP是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議組件的一個(gè)非常重要的部分，UIP的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是保持代碼大小和存儲(chǔ)器的使用量最小。UIP代碼的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP棧要小很多。所以本系統(tǒng)中使用UIP協(xié)議棧。

2.5 GUI模塊

本系統(tǒng)中鑰匙柜終端的操作界面都是基于觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括狀態(tài)的顯示，信息的輸入，系統(tǒng)設(shè)置輸入等都是通過(guò)觸摸屏交互。鑰匙柜端使用的觸摸屏分辨是240*320，顯示效果細(xì)膩、清晰。該TFT屏的控制是通過(guò)STM32的FSMC接口，再配合嵌入式圖形軟件uC/GUI，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易明了的終端控制界面。

2.6 電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)選用的電磁鎖為瞬間通電，耗電省，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。電磁鎖工作參數(shù)是：工作電壓12V，允許電流600mA，通電工作時(shí)間小于1S，允許通電最大時(shí)間10S，插銷長(zhǎng)度為10mm。綜合以上電磁鎖工作條件，本系統(tǒng)中STM32的GPIO口輸出電流有限，因此需要加一級(jí)電流增強(qiáng)，所以利用GPIO控制小功率晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鎖，實(shí)現(xiàn)電磁鎖的開關(guān)。GPIO通過(guò)限流電阻接到NPN晶體管的基極，晶體管的集電極接電磁鎖，使用12V電源。當(dāng)GPIO輸出高電平時(shí)晶體管導(dǎo)通，電磁鎖有電流流過(guò)，驅(qū)動(dòng)插銷工作，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。

2.7 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOSVGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過(guò)SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。該圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過(guò)減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

2.8 數(shù)據(jù)報(bào)表

實(shí)驗(yàn)室管理軟件在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)都必須生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，以記錄實(shí)驗(yàn)室使用的具體情況[7]。數(shù)據(jù)報(bào)表保存在服務(wù)器的硬盤空間內(nèi)，以便隨時(shí)可以查看。本系統(tǒng)需要生成的數(shù)據(jù)報(bào)表格式如下表所示：

?

3 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中終端鑰匙柜是直接掛接在實(shí)驗(yàn)室的門口，在使用實(shí)驗(yàn)室之前需要將指紋注冊(cè)到系統(tǒng)，具體注冊(cè)服務(wù)流程如圖4所示。

圖4 注冊(cè)流程圖

當(dāng)教師需要使用實(shí)驗(yàn)室時(shí)，直接到實(shí)驗(yàn)室門口的指紋機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證指紋即可，具體的使用服務(wù)流程如圖5所示。

圖5 服務(wù)流程圖

4 結(jié)論

本方案操作簡(jiǎn)單、使用方便，特別是將指紋驗(yàn)證與校園網(wǎng)老師考勤相結(jié)合，避免了每次實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)室管理人員來(lái)開門的繁瑣過(guò)程，也為老師專注學(xué)生實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)提供了方便，大大加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

本文旨在介紹了一種高效實(shí)驗(yàn)室智能化管理方案，期望有更加合理、完善的方案討論，努力推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室的智能化和開放化，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新性研究。

［1］何敏祿,楊全利.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理與建設(shè)的有效途徑[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2007(4):123-124.

［2］李郁峰,高小明.基于網(wǎng)絡(luò)的低成本實(shí)驗(yàn)室門禁管理系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010(6):169-194.

［3］夏霆.智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)[J].工藝與設(shè)備,2010(7):226-227.

［4］STMicroelectronics Ltd,RM0008 Reference manual:STM32F101XX,STM32F101 XX,STM32F10 2XX,STM32F103XX,STM32F105XX,STM32F107X X advanced ARM-based 32-bit MCUs Rev 9,2009[Z].

［5］Joseph Yiu.ARM Crotex-M3 權(quán)威指南[M].宋巖,譯.北京:北 京航空 航天大 學(xué)出版社,2009.

［6］ARM Ltd Crotex-M3 Technical Reference Manual Rev r0p0,2006[Z].

［7］宗蓮松.開放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J].工實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011(1):141-143.