關(guān)于高校實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁及燈光管理控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

王安凱 潘學(xué)美 張良

摘要：本文主要研究實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁和燈光管理控制的綜合系統(tǒng)，當(dāng)有人要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，需要提前登陸實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)管理系統(tǒng)認(rèn)可后，則將申請(qǐng)人的指紋錄入指紋采集系統(tǒng)，而后申請(qǐng)者只需要用自己的指紋即可打開(kāi)門(mén)禁，同時(shí)還可以結(jié)合SIM900A以短信密鑰形式遠(yuǎn)程打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁。實(shí)驗(yàn)室智能燈光系統(tǒng)可以通過(guò)不同的反饋控制信號(hào)來(lái)感知人體所在位置，做出相應(yīng)處理，進(jìn)行智能亮燈，最大程度的實(shí)現(xiàn)智能化和成本最小化。

關(guān)鍵詞：GSM短信輔助服務(wù)；實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁；燈光控制；智能化

引言

傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室有很大部分是依靠一定的人力資源來(lái)管理實(shí)驗(yàn)室，耗時(shí)耗力，效率較低，隨著信息技術(shù)迅速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室的使用也應(yīng)該更加趨于智能化，而運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室智能系統(tǒng)能夠極大的提高自動(dòng)化水平，使實(shí)驗(yàn)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(kāi)門(mén)禁是我們研究的重要方向之一。本文中介紹使用指紋識(shí)別的方式進(jìn)行門(mén)禁控制，因?yàn)橹讣y系統(tǒng)在我國(guó)高校使用較少，但其在實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁范疇?wèi)?yīng)用價(jià)值很大，其在預(yù)處理，特殊標(biāo)志的提取及匹配識(shí)別環(huán)節(jié)等方面還需要一定的技術(shù)完善，高校實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁指紋應(yīng)用有較大的開(kāi)發(fā)鉆研開(kāi)發(fā)前景。

實(shí)驗(yàn)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(kāi)始申請(qǐng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室到在實(shí)驗(yàn)室中工作學(xué)習(xí)的一系列過(guò)程中都是智能化的控制，讓師生體驗(yàn)更加舒適的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

上圖為系統(tǒng)整體規(guī)劃方案，首先將申請(qǐng)人的指紋錄入系統(tǒng)，申請(qǐng)人的指紋應(yīng)進(jìn)行多次錄入，盡可能的采集到申請(qǐng)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(yàn)證失敗的概率。當(dāng)申請(qǐng)人到達(dá)實(shí)驗(yàn)室時(shí)可進(jìn)行指紋識(shí)別驗(yàn)證，驗(yàn)證成功則可以成功打開(kāi)門(mén)禁，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和工作，同時(shí)還有備用應(yīng)急方案，由于指紋系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)用程度不夠廣泛，如果驗(yàn)證失敗，則可以啟用短信密鑰服務(wù)，通過(guò)用戶手機(jī)上高度成熟化的門(mén)禁app進(jìn)行獲取短信密鑰，進(jìn)而開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁被打開(kāi)后，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)上電，燈光控制系統(tǒng)隨即開(kāi)始運(yùn)行工作，當(dāng)遠(yuǎn)距離紅外檢測(cè)到人流時(shí)，發(fā)送給主控制器，有主控制器進(jìn)行判斷處理，定位到申請(qǐng)人所在的位置，將對(duì)相應(yīng)位置的燈進(jìn)行處理，燈光持續(xù)亮，一段時(shí)間后，進(jìn)行紅外二次掃描，并且每隔一段時(shí)間掃描一次，實(shí)時(shí)反饋，實(shí)時(shí)控制各個(gè)位置的燈光亮滅，門(mén)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(dāng)前的狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給后臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室中人數(shù)是否達(dá)到飽和，為主控制器的指令的下達(dá)提供有價(jià)值的參考。同時(shí)該系統(tǒng)可以在白天和晚上實(shí)現(xiàn)光的明暗的調(diào)節(jié)，對(duì)外界光線具有極強(qiáng)的自適應(yīng)能力，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全開(kāi)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(mén)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(gè)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(dá)最大負(fù)載條件的過(guò)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(shí)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(dāng)負(fù)載電流為50MA時(shí)可以達(dá)到90MV的低電壓差，使得輸出電壓具有極高的精度。相對(duì)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(shí)別模塊，它屬于一款高性能光學(xué)辨認(rèn)模塊。內(nèi)置dsp單元集成了指紋識(shí)別的計(jì)算機(jī)算法，同時(shí)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(chǔ)存和匹配識(shí)別。它含有串口和usb通信接口，方便操作，通過(guò)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(shí)現(xiàn)低功耗語(yǔ)音，大大節(jié)約能源，SMS短信，數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于高度成熟化的門(mén)禁app上，通過(guò)門(mén)禁app進(jìn)行短信密鑰的獲取，使得門(mén)禁系統(tǒng)更加完善，極大地彌補(bǔ)了指紋門(mén)禁系統(tǒng)的不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，保證門(mén)禁系統(tǒng)能夠持續(xù)高效的運(yùn)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(jì)

（1）熱釋紅外傳感器檢測(cè)電路：

該電路選用熱釋紅外傳感器檢測(cè)模塊，熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成，具有抗電磁干擾功能：探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中的人員使用手機(jī)時(shí)，不會(huì)因?yàn)槭謾C(jī)產(chǎn)生的電磁干擾而發(fā)生誤判。同時(shí)具有抗燈光干擾功能：探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^(guò)玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)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(duì)人體的敏感度檢測(cè)與人們的移動(dòng)防線有極大關(guān)系。熱釋紅外傳感器對(duì)于縱向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感，而對(duì)于橫方向（即與半徑垂直的方向）移動(dòng)則最為敏感.因此，這要求我們?cè)诎惭b熱釋紅外傳感時(shí)需要綜合多方因素考慮，選擇最佳位置。在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。

用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否已經(jīng)有申請(qǐng)者進(jìn)入，若果有人進(jìn)入，則該模塊進(jìn)行工作，尋找實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人的具體位置，根據(jù)每個(gè)模塊的安裝位置不同，反饋到主控制器的信號(hào)也有區(qū)分，通過(guò)反饋信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位當(dāng)前工作者的位置，主控制器做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，對(duì)燈光管理控制系統(tǒng)下達(dá)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(guò)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(dòng)電路，各個(gè)集成模塊電路和其他電路使用。

（3）環(huán)境光檢測(cè)電路：

采用GY-302光敏模塊檢測(cè)室內(nèi)光照強(qiáng)度，該模塊具有極高的光敏度，對(duì)檢測(cè)光強(qiáng)十分有用，直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算省略標(biāo)定，不對(duì)環(huán)境光源進(jìn)行區(qū)分，接近于人體視覺(jué)靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定。同時(shí)該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)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(jī)io直接連接，但其中的BH1750模塊無(wú)法區(qū)分四個(gè)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(shí)值之間的差異最大值為四。當(dāng)光傳感器完全暴露在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中或當(dāng)光傳感器從完全透明屏蔽改變?yōu)椴煌耆该髌帘螘r(shí)，可以進(jìn)行透射率設(shè)置，此時(shí)由光傳感器測(cè)來(lái)給你的亮度值不受影響。但測(cè)量精度可以得到調(diào)整。

（4）燈光驅(qū)動(dòng)電路：

當(dāng)外部光強(qiáng)很弱時(shí)，此時(shí)檢測(cè)到室內(nèi)有人，自動(dòng)打開(kāi)燈光控制系統(tǒng)是必要的，同時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行燈光驅(qū)動(dòng)；因?yàn)閱纹瑱C(jī)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(gè)中間繼電器來(lái)控制光源。通過(guò)單片機(jī)在合適條件下將低電平信號(hào)輸送給驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制繼電器的閉合與斷開(kāi)，通過(guò)強(qiáng)電控制弱電以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的控制。

（5）硬件時(shí)鐘電路：

設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)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(shí)間及具體分配情況，系統(tǒng)還應(yīng)受到時(shí)間的限制，一個(gè)良好的控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該滿足人們相應(yīng)的工作要求，所以，我們需要一個(gè)時(shí)鐘集成電路控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)在夜晚無(wú)人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，時(shí)鐘電路可以時(shí)門(mén)禁系統(tǒng)和燈光管理控制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，只開(kāi)啟紫外燈控制電路進(jìn)行殺菌消毒，在第二天到來(lái)時(shí)，門(mén)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(jìn)行關(guān)閉。最大程度節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室資源。同時(shí)還要有功率損耗保護(hù)電路，以此來(lái)保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進(jìn)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(huì)形成很大的浪涌電流，特別是大功率開(kāi)關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達(dá)100A以上。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強(qiáng)這方面的保護(hù)也非常重要，驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入、保護(hù)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(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過(guò)流損壞；輕者也會(huì)使空氣開(kāi)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(huì)侵入各種浪涌信號(hào)，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此，我們需要一個(gè)防止流涌電流的軟啟動(dòng)電路，以保證電源正常運(yùn)行。本電路用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來(lái)限制電流的突變，利用正溫度系數(shù)熱敏電阻自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小，使之趨于某個(gè)特定的變化范圍，同時(shí)在電源輸入端并有瞬態(tài)電壓抑制器以避免電壓過(guò)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(dāng)深夜時(shí)分，無(wú)人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)或工作時(shí)，紫外燈控制電路就會(huì)被觸發(fā)，此時(shí)門(mén)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(huì)影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)作，該電路在夜晚被觸發(fā)，利用紫外線進(jìn)行消毒殺菌，極大的提改善了實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)室燈光控制系統(tǒng)同門(mén)禁系統(tǒng)相結(jié)合可以更好的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的環(huán)境質(zhì)量，給進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人提供了更高的安全保障。本系統(tǒng)使得實(shí)驗(yàn)室具有更加便捷的管理方式，盡可能大增加實(shí)驗(yàn)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(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

參考文獻(xiàn)

[1] 于中得.單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).國(guó)防工業(yè)出版社，2013.11

[2] 楊居義.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù).清華大學(xué)出版社，2009.9

[3] 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2008.7

[4] 徐巖，趙海濤，淺談智能化系統(tǒng)中的門(mén)禁系統(tǒng)[J]智能建筑電氣技術(shù)。2008.2

[5]肖萌萌，電子密碼鎖控制電路設(shè)計(jì)[J]黑龍江科技信息，2007

[6]郭燕青?；诳梢?jiàn)光通信的物聯(lián)網(wǎng)門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)

作者簡(jiǎn)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(xué)校：臨沂大學(xué)。

項(xiàng)目編號(hào)：201810452050。

（作者單位：臨沂大學(xué)）