智能簽到門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田孟，紀(jì)利琴

（安徽新華學(xué)院智能制造學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

隨著我國高等教育的飛速發(fā)展，在校大學(xué)生的人數(shù)越來越多，這些給高等學(xué)校學(xué)生管理工作增加了巨大的壓力。對一些上課遲到、早退、夜不歸宿、晚歸等不良現(xiàn)象，無法很好地管理與禁止。本控制器即是針對這些不良現(xiàn)象，為了能夠方便、快捷、智能地輔助學(xué)校的學(xué)生管理人員加強(qiáng)學(xué)生管理，特設(shè)計(jì)了一種智能簽到門控制系統(tǒng)。

本智能簽到門控制系統(tǒng)的基本原理是：系統(tǒng)設(shè)置上位機(jī)和下位機(jī)，其中下位機(jī)是以單片機(jī)為核心的控制器，完成學(xué)生IC 卡讀卡、IC 卡識別、控制門鎖的打開與關(guān)閉[1]。同時為防止學(xué)生只刷卡不進(jìn)入等現(xiàn)象，門框兩邊設(shè)有對射式激光傳感器，檢測人員通過情況并記錄通行信息。上位機(jī)是可以上網(wǎng)的微機(jī)，負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，采集、記錄下位機(jī)學(xué)生通行信息，并負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)至學(xué)校相關(guān)學(xué)生管理人員，輔助完成對學(xué)生的上課、宿舍等管理工作。

本系統(tǒng)上位機(jī)有現(xiàn)有的系統(tǒng)，本文主要描述下位機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體組成框圖

本系統(tǒng)組成框圖見圖1，系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)組成。下位機(jī)由STM32F103C8T6 控制器及最小系統(tǒng)電路、舵機(jī)控制電路、讀RFID 卡模塊、IC 卡、對射式光電傳感器電路、WIFI 通信模塊。上位機(jī)由微機(jī)組成，設(shè)置有WIFI 接收模塊、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及專門的學(xué)生管理系統(tǒng)軟件[2]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

（1）STM32F103C8T6 控制器及最小系統(tǒng)電路：下位機(jī)控制的核心部分，負(fù)責(zé)讀取學(xué)生IC 卡信息，采集學(xué)生通過情況，控制舵機(jī)控制電路，從而控制開關(guān)門。

（2）舵機(jī)控制電路：控制門的開與關(guān)。

（3）讀RFID 卡模塊：讀取學(xué)生IC 卡信息的裝置。

（4）IC 卡：儲存學(xué)生通過宿舍門或教室門的身份信息。

（5）對射式光電傳感器電路:檢測人員通過情況。

（6）WIFI 通信模塊:負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，數(shù)據(jù)為發(fā)送端。

（7）上位機(jī)：上位機(jī)是一臺微機(jī)。上位機(jī)的WIFI 接收模塊負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，采集IC 卡以及人員通過信息；上位機(jī)的學(xué)生信息管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集、分析、處理學(xué)生信息，通過有線網(wǎng)絡(luò)將學(xué)生信息存儲到服務(wù)端，管理人員或?qū)W生可以通過電腦或手機(jī)客戶端APP 請求服務(wù)端，將需要的信息展現(xiàn)在客戶端上，了解學(xué)生宿舍晚歸、上課遲到、曠課等信息，加強(qiáng)學(xué)生管理。

2 控制芯片及主要硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 控制芯片

STM32F103C8T6 是一款基于ARMCortex-M 內(nèi)核的32位微處理器（見圖2），內(nèi)集成ROM 容量64KB，RAM 容量512KB，主頻可達(dá)72MHz，工作電壓3.3V。該控制器功耗低、接口豐富，成本低廉，完全符合本系統(tǒng)制作要求。

圖2 控制芯片圖

■2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)電路、舵機(jī)控制電路、RFID 讀卡模塊RC522 電路、對射式光電傳感器電路、WIFI 模塊電路組成。

2.2.1 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)電路

最小系統(tǒng)主要有電源、晶振、復(fù)位電路組成。

(1)電源電路 系統(tǒng)采用5V 穩(wěn)壓源供電，控制器電源電路由LDO(Low Dropout Regulator)低壓差線性穩(wěn)壓器將5V 轉(zhuǎn)換為3.3V，具體見圖3。

圖3 電源電路圖

(2)晶振電路 晶振電路是用來給控制器芯片提供時鐘信號，電路見圖4。Y1 為晶振，頻率為72MHz，OSC OUT、OSC IN 為控制器引腳。

圖4 晶振電路圖

(3)復(fù)位電路 控制器復(fù)位信號為低電平有效，復(fù)位電路給控制器提供復(fù)位信號。電路見圖5 所示。系統(tǒng)上電時，電容C7 使NRST 引腳為低電平，完成上電復(fù)位；正常工作時，按下SW 按鍵，NRST 引腳被拉低，產(chǎn)生外部復(fù)位。

圖5 復(fù)位電路圖

2.2.2 舵機(jī)控制電路

舵機(jī)控制電路是集成控制電路、馬達(dá)、減速器（齒輪組、電位器）等于一體的（見圖6），并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。該舵機(jī)控制電路能夠利用簡單的輸入信號比較精確的控制轉(zhuǎn)動給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。

圖6 舵機(jī)控制電路

舵機(jī)控制信號，一般是脈寬調(diào)制（PWM）信號，如圖7 所示，直觀反映了PWM 信號和舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系。通過給舵機(jī)通電的時間控制，結(jié)合角度傳感器的反饋信號檢測和控制，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的精確角度控制。

圖7 舵機(jī)控制信號

2.2.3 RFID 讀卡模塊RC522 電路

RFID 讀卡模塊基本原理是讀卡器發(fā)射一組固定頻率的電磁波，IC 卡片內(nèi)有一個LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V 時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。該發(fā)射電路的核心器件是RC522 芯片，電路見圖8所示。

圖8 射頻發(fā)射/接收電路

2.2.4 對射式光電傳感器

對射式光電傳感器由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測人通過路徑的兩側(cè)，檢測人通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號給控制器。其工作示意圖見圖9。

圖9 光電傳感器工作示意圖

2.2.5 WIFI 模塊電路

WIFI 發(fā)射、接收電路相同，見圖10。當(dāng)發(fā)射數(shù)據(jù)時，需將nRF24L01 配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按照時序?qū)懭雗RF24L01 緩存區(qū)即可，nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號。

圖10 WIFI 模塊電路

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的主要功能包括讀取IC 卡信息、采集光電傳感器信息、發(fā)射WIFI 信息、控制開關(guān)門。由于這些信息均是在有IC 卡信息讀取時（表示有人通過）發(fā)生的，因此在軟件處理時均將其放在讀取IC 中斷處理程序中。

IC 卡中斷處理程序見圖11。進(jìn)入中斷后，首先讀取IC卡信息，并識別判斷，若為有效卡信息，則啟動光電傳感器，并讀取人員通過信息，有人通過，則控制教室或宿舍門開啟，否則不啟動，在有人員通過并開啟門的情況下，啟動WIFI 發(fā)送，將信息上傳上位機(jī)，接著中斷返回。

圖11 軟件流程圖

4 上位機(jī)及客戶終端功能簡述

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)通過WIFI 采集學(xué)生信息和人員通過信息，在學(xué)生信息管理系統(tǒng)中匯總、處理、分析、統(tǒng)計(jì)，并存儲到服務(wù)端供查詢、管理等[3]。

手機(jī)/電腦客戶端主要完成以下功能：

（1）顯示學(xué)生上課簽到、簽退時間以及簽到學(xué)生信息等。

（2）顯示學(xué)生宿舍出、入時間，以及學(xué)生的信息。

（3）記錄、保存、匯總各個學(xué)生的上課、宿舍歸宿情況，方便管理人員的查看。

5 調(diào)試與功能驗(yàn)證

按照以上的硬件及軟件設(shè)計(jì)，完成了下位機(jī)的整體設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)功能，按照設(shè)計(jì)制作了一套實(shí)物，并開展系統(tǒng)的實(shí)際功能測試，當(dāng)下位機(jī)設(shè)置在教室門口，在學(xué)生刷了IC 卡后，學(xué)生查詢到的上課到課情況如圖12 所示；當(dāng)下位機(jī)設(shè)置在宿舍門口時，在學(xué)生刷了IC 卡后，學(xué)生查詢到的歸宿情況如圖13 所示。學(xué)校的學(xué)生管理人員也可以登錄系統(tǒng)，查詢到學(xué)生的相關(guān)情況，可以有效協(xié)助學(xué)生管理人員加強(qiáng)學(xué)生管理。

圖12 學(xué)生上課到課情況圖

圖13 學(xué)生歸宿情況圖

6 結(jié)論

本系統(tǒng)完成了上位機(jī)與下位機(jī)的WIFI 通信系統(tǒng)，下位機(jī)對IC 卡的讀取，對簽到門的控制，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)將學(xué)生的到課、歸宿等信息傳送給終端用戶，協(xié)助教師或管理人員了解學(xué)生到課上課情況、歸宿情況等，簡單實(shí)用，性價(jià)比高，系統(tǒng)功能可滿足學(xué)校對學(xué)生進(jìn)行相關(guān)管理的要求，大大提高了管理效率。