关于高校实验室门禁及灯光管理控制系统的研究与开发

王安凯 潘学美 张良

摘要：本文主要研究实验室门禁和灯光管理控制的综合系统，当有人要进入实验室时，需要提前登陆实验室门禁综合管理系统进行申请，经过管理系统认可后，则将申请人的指纹录入指纹采集系统，而后申请者只需要用自己的指纹即可打开门禁，同时还可以结合SIM900A以短信密钥形式远程打开实验室门禁。实验室智能灯光系统可以通过不同的反馈控制信号来感知人体所在位置，做出相应处理，进行智能亮灯，最大程度的实现智能化和成本最小化。

关键词：GSM短信辅助服务；实验室门禁；灯光控制；智能化

引言

传统的高校实验室有很大部分是依靠一定的人力资源来管理实验室，耗时耗力，效率较低，随着信息技术迅速发展，实验室的使用也应该更加趋于智能化，而运用实验室智能系统能够极大的提高自动化水平，使实验室的管理趋智能化，降低成本，还能够增加师生的自主性，而选用什么打开门禁是我们研究的重要方向之一。本文中介绍使用指纹识别的方式进行门禁控制，因为指纹系统在我国高校使用较少，但其在实验室门禁范畴应用价值很大，其在预处理，特殊标志的提取及匹配识别环节等方面还需要一定的技术完善，高校实验室门禁指纹应用有较大的开发钻研开发前景。

实验室智能化的普及可以融入灯光控制系统，更加人性化的灯光智能控制，从开始申请进入实验室到在实验室中工作学习的一系列过程中都是智能化的控制，让师生体验更加舒适的实验室环境。

1系统整体设计方案

上图为系统整体规划方案，首先将申请人的指纹录入系统，申请人的指纹应进行多次录入，尽可能的采集到申请人的所有指纹信息，将其录入系统中，这样可以大大降低指纹验证失败的概率。当申请人到达实验室时可进行指纹识别验证，验证成功则可以成功打开门禁，进入实验室学习和工作，同时还有备用应急方案，由于指纹系统当前应用程度不够广泛，如果验证失败，则可以启用短信密钥服务，通过用户手机上高度成熟化的门禁app进行获取短信密钥，进而开启实验室。当实验室门禁被打开后，实验室自动上电，灯光控制系统随即开始运行工作，当远距离红外检测到人流时，发送给主控制器，有主控制器进行判断处理，定位到申请人所在的位置，将对相应位置的灯进行处理，灯光持续亮，一段时间后，进行红外二次扫描，并且每隔一段时间扫描一次，实时反馈，实时控制各个位置的灯光亮灭，门禁app是物联网和大数据技术的具体应用，它可以记录用户当前的状态信息，将数据信息发送给后台，实时监测实验室中人数是否达到饱和，为主控制器的指令的下达提供有价值的参考。同时该系统可以在白天和晚上实现光的明暗的调节，对外界光线具有极强的自适应能力，自动实现全开全关等功能，最大程度节约能源。

2系统硬件架構

2.1门禁系统

2.1.1 指纹模块电路

电源电路中，使用AIC系列的两个稳压芯片。AIC1722-33是低压线性稳压芯片，具有较高精度。从空载一直到达最大负载条件的过程中，电流一直保持在0.055MA。输出电压为3.3v。

AIC1730-18是在使用时噪声很低，电压差很低的符合线性规律的稳压芯片，内部MOSFET晶体管能够完成当负载电流为50MA时可以达到90MV的低电压差，使得输出电压具有极高的精度。相对低的静态电流和低压差电压使该器件可以作为理想器件用于电池供电使用，可以连接到外部电容旁销噪声，为了减少噪声电平的输出。输出电压为1.8V.

2.1.2指纹模块主控芯片

指纹模块主控芯片可以使用ATK-AS608指纹识别模块，它属于一款高性能光学辨认模块。内置dsp单元集成了指纹识别的计算机算法，同时该模块包含特征文件缓冲区和图像缓冲区，用于指纹的储存和匹配识别。它含有串口和usb通信接口，方便操作，通过一定的通讯协议即可控制模块，稳定性优异。

2.1.3.短信密钥辅助系统

短信密钥辅助系统采用SIM900A模块，该模块具有高性能的GSM/GPRS模块可以实现低功耗语音，大大节约能源，SMS短信，数据的传输。同时，该系统可应用于高度成熟化的门禁app上，通过门禁app进行短信密钥的获取，使得门禁系统更加完善，极大地弥补了指纹门禁系统的不稳定的缺点，保证门禁系统能够持续高效的运行。

关于短信密钥获取方法如下：

2.2灯光控制系统

2.2.1灯控电路设计

（1）热释红外传感器检测电路：

该电路选用热释红外传感器检测模块，热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，具有抗电磁干扰功能：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，当实验室中的人员使用手机时，不会因为手机产生的电磁干扰而发生误判。同时具有抗灯光干扰功能：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。此模块完全不受灯光管理系统的干扰，稳定性优异。热释红外线传感器对人体的敏感度检测与人们的移动防线有极大关系。热释红外传感器对于纵向移动反应最不敏感，而对于横方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感.因此，这要求我们在安装热释红外传感时需要综合多方因素考虑，选择最佳位置。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

用于检测实验室内是否已经有申请者进入，若果有人进入，则该模块进行工作，寻找实验室内人的具体位置，根据每个模块的安装位置不同，反馈到主控制器的信号也有区分，通过反馈信号来进行定位当前工作者的位置，主控制器做出相应调节，对灯光管理控制系统下达指令，做出最合理的亮灯处理。

（2）电源供电电路：

电源电路给系统提供各部分所需电源，将生活用电220v交流电通过整流电路整流以及降压电路压变成+18v，+5v，+3.6v直流电。这些电压分别供驱动电路，各个集成模块电路和其他电路使用。

（3）环境光检测电路：

采用GY-302光敏模块检测室内光照强度，该模块具有极高的光敏度，对检测光强十分有用，直接数字输出，省略复杂的计算省略标定，不对环境光源进行区分，接近于人体视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。同时该模块支持标准NXP IIC通信协议，模块内部包含通信电平转换，与5v单片机io直接连接，但其中的BH1750模块无法区分四个Lux之间的亮度差异（例如，450，453）。因此，从芯片寄存器中所读取的数值与真实值之间的差异最大值为四。当光传感器完全暴露在机构的设计中或当光传感器从完全透明屏蔽改变为不完全透明屏蔽时，可以进行透射率设置，此时由光传感器测来给你的亮度值不受影响。但测量精度可以得到调整。

（4）灯光驱动电路：

当外部光强很弱时，此时检测到室内有人，自动打开灯光控制系统是必要的，同时需要驱动电路进行灯光驱动；因为单片机的正常工作电压为直流3.3-5.5v，生活用电为交流220v，所以需要一个中间继电器来控制光源。通过单片机在合适条件下将低电平信号输送给驱动模块，进而控制继电器的闭合与断开，通过强电控制弱电以此实现对光源的控制。

（5）硬件时钟电路：

设计一个时间电路，选用DS1302集成电路，它外围原件少，与单片通讯采用串行口方式，具有很好的精度，根据室内灯光使用时间及具体分配情况，系统还应受到时间的限制，一个良好的控制系统的运行时间应该满足人们相应的工作要求，所以，我们需要一个时钟集成电路控制系统的运行时间，当在夜晚无人进入实验室时，时钟电路可以时门禁系统和灯光管理控制系统处于休眠状态，只开启紫外灯控制电路进行杀菌消毒，在第二天到来时，门禁系统和灯光管理控制系统重新被激活，将紫外灯控制电路进行关闭。最大程度节约了实验室资源。同时还要有功率损耗保护电路，以此来保证该系统的稳定运行。

（6）保护电路

开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充電瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较差，加强这方面的保护也非常重要，驱动电源要有抑制浪涌的侵入、保护LED不被损坏的能力。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。此外，由于外界环境的影响，电网系统会侵入各种浪涌信号，有些浪涌会导致LED的损坏。因此，我们需要一个防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常运行。本电路用负温度系数热敏电阻来限制电流的突变，利用正温度系数热敏电阻自动调节电流大小，使之趋于某个特定的变化范围，同时在电源输入端并有瞬态电压抑制器以避免电压过载。

（7）紫外灯控制电路

灯光控制系统还接入了紫外灯触发电路，当深夜时分，无人进入实验室学习或工作时，紫外灯控制电路就会被触发，此时门禁及灯光管理控制系统均处于休眠状态，因此本电路不会影响其他系统的正常运作，该电路在夜晚被触发，利用紫外线进行消毒杀菌，极大的提改善了实验室的环境质量。

实验室灯光控制系统同门禁系统相结合可以更好的实验室的智能化，大大减少人力成本的投入，加入了紫外灯控制电路可以有效改善实验室的环境质量，给进入实验室的人提供了更高的安全保障。本系统使得实验室具有更加便捷的管理方式，尽可能大增加实验室的利用率，有利于本领域更好的发展。

本论文由临沂大学大学生创新创业训练计划项目资助

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作者简介：王安凯（1997.11.14——），性别：男，民族：汉族，籍贯：山东省青岛市平度市，学校：临沂大学。

项目编号：201810452050。

（作者单位：临沂大学）