基于物联网的实验室智能门禁系统研究与设计

苏世雄，马新华，杨 楠，李 佳

（西安航空学院 计算机学院，西安710077）

新工科建设是具有中国特色的复杂系统工程，对我国高等教育发挥着示范与引领作用[1]。实验室作为高等院校新工科人才培养的重要场所，在培养学生实践技能、科研素养[2]、创新创业、学科竞赛和教师实践教学、科学研究等方面发挥着不可替代的作用。开放实验室因充足的仪器设备，开放化的管理模式成为创新与创业型人才培养的主要基地，在承担学生学科竞赛中发挥着重要作用[3]，而实验室门禁管理系统作为开放实验室的重要组成部分，其发展对于开放实验室具有举足轻重的作用。当前，虽然市面上有各种各样的智能锁，例如，人脸识别[4]、指纹[5]、掌纹[6]等，但是其高昂的价格和使用场景并不适用于具有不同人群的开放实验室门禁系统，而且西安航空学院实验室管理目前基本上还是采用传统的人工管理方式，其锁还采用传统的机械锁开门。这种传统的管理模式已不能适应当前的要求，积极引进新的管理理念、管理技术十分必要[7-8]。随着物联网、云计算、大数据等技术的飞速发展，为高校实验室的管理带来了新的发展机遇，也为现代化高校智能实验室的发展指明了方向[9-12]。为了提高实验室的管理水平，增强实验设备的利用率，减轻实验室管理员的工作负担，本文结合西安航空学院实验室管理的现状，研究并设计了一种基于物联网的实验室智能门禁系统，该系统不仅提高了实验室的管理效率，而且在一定程度上规范了开放实验室管理体制，并且价格便宜，简单实用。

1 系统整体概述

基于物联网的实验室智能门禁系统分为门控装置和系统平台管理两部分。门控装置以STM32F103处理器为核心，利用RFID 技术、无线传输WiFi 技术和电磁锁模块，实现用户身份识别、信息传输和门锁的控制；系统平台管理以Java Web 技术为前端，Tomcat 为服务器，MySQL 为数据库，具有管理员添加用户信息、设置用户进入实验室的有效时间、查看用户进出实验室的日志信息等功能，实现了管理员对实验室门禁的智能化管理，提高了实验室设备的利用率和实验室的安全性。本设计的系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构Fig.1 System framework

2 系统的硬件设计

2.1 主控制器模块

主控制器模块是整个实验室智能门禁系统下位机的核心，其主要功能是连接各模块、处理其他模块传送的数据，并控制继电器模块。本系统采用基于Cortex-M3 内核的STM32F103RCT6 作为主控制器，该芯片具有较高的稳定性，运算速度和处理能力较强，其工作频率为72 MHz，包含2 通道12位D/A 转换器、12 通道DMA 控制器，支持ADC、定时器、I2C 和串口等外设[13]，并且具有较大的内存空间，功耗低，抗干扰能力强等特点，满足本系统的要求。

2.2 RFID 射频识别模块

RFID 射频识别模块由非接触式IC 卡和射频读写器模块组成。接触式IC 或磁卡，读写速度慢，易受损，工作寿命短，容易出现接触性故障等问题，并且可靠性和使用的方便性都得不到保证[14]，因此，本系统采用非接触式IC 卡即射频卡，该卡具有读写速度快、寿命时间长、可靠性高、功耗低、使用方便等特点，能够满足本系统的设计。同时，射频读写器模块本系统采用RFID-RC522，该模块是一款集成度高、传输速度快、具有差错检测、低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，其工作频率为13.56 MHz，读/写卡步骤分为寻卡，防冲突，选卡，认证，读/写卡，其使用简单方便。

2.3 WiFi 模块

在本系统中，下位机门控装置和上位机系统管理平台之间的数据传输主要通过WiFi 模块建立，本系统所采用的WiFi 模块型号是ATK-ESP8266，该模块是一款具有超高性价比的UART-WiFi，已通过FCC、CE 认证。ESP8266 与单片机兼容，可以通过AT 指令来控制，在使用过程中有3 种工作模式可供选择，用户可根据需要选择不同模式。第1 种模式是AP 模式，作为热点被其他设备连接；第2 种模式是STA 模式，ESP8266 模块通过路由器连接互联网；第3 种模式是AP+STA，它是前面两种模式的共存模式，既可以连接到其他无线网络也可以作为热点供其他无线设备连接[15]。本设计主要是利用了ESP8266 的STA 模式，实现了下位机门控装置和上位机系统管理平台的数据传输连接。图2 为ESP8266 与STM32 单片机的连接图。

图2 ESP8266 与STM32 的连接Fig.2 ESP8266 connection with STM32

2.4 电磁锁模块

电磁锁模块由继电器模块和电磁锁组成。本设计采用5 V 继电器来实现对电磁锁的控制，利用继电器常开端的连接方法并且低电平触发，即当继电器的信号端IN 有低电平信号输入时，继电器吸合，常开端ON 与公共端COM 连通，设备通电，打开门锁。

3 系统软件设计

本系统设计的流程为用户进出实验室时均需要刷卡，这样不但可以记录用户进出实验室的时间，而且也便于管理员查看用户行踪轨迹。

3.1 下位机软件设计

本系统下位机门控装置软件基于keil 平台开发，采用C 语言编写，该模块主要是读IC 卡并控制门锁状态，因此这里重点介绍读卡及控制门锁流程，其流程如图3所示。

图3 读卡及门锁控制流程Fig.3 Card reading and door lock control flow chart

3.2 上位机软件设计

本系统上位机系统管理平台以Java Web 技术为前端，Tomcat 为服务器，MySQL 为数据库，其包含3 个子模块，分别为用户管理模块、用户权限模块和信息监控模块。此平台只能由管理员操作，用于管理员添加用户信息、设置用户配套的IC 卡信息以及查看当前实验室的人员信息。当处于用户管理模块时，管理员可以添加、查看、修改、删除用户信息；当处于用户权限模块时，管理员可以设置、修改、删除用户所配套的IC 卡，同时设置IC 卡进出实验室的有效时间（即写卡操作）；当处于信息监控模块时，管理员可以查看用户进出实验室的日志记录和报警信息等。其软件总体功能架构如图4所示。

图4 系统管理平台总体功能架构Fig.4 Architecture of system management platform

管理员添加用户，设置IC 的有效时间流程如图5所示，其余删除、修改流程基本类似，此处不再赘述。

图5 添加用户设置IC 卡流程Fig.5 Add user flow chart

4 系统测试

首先管理员在上位机系统管理平台注册用户信息，同时分配IC 卡，写IC 卡的有效使用时间（时间设置为在当前范围内），然后用户使用IC 卡测试，测试结果表明门锁可以正常打开，并且在上位机系统管理平台可以看到用户刷卡的日志记录。其次，修改IC 的有效时间（不在当前范围内）或删除用户，用户再次刷卡，测试结果表明门锁没有被打开，同样其刷卡日志也被记录在上位机系统管理平台。最终，实验结果表明该系统运行稳定正常，操作便捷。图6 为下位机门控装置，图7 为上位机系统管理平台人员授权设置界面。

图6 门控装置Fig.6 Door control device

图7 人员授权设置Fig.7 Personal authorization settings

5 结语

本文以西安航空学院实验室管理为背景，设计并实现了一套基于物联网的实验室智能门禁系统，该系统利用STM32 单片机、RFID 技术、WiFi 技术、软件开发技术等实现了实验室门禁的智能化管理。经测试表明，该系统工作稳定，性能优异，不仅提高了实验室管理效率，而且在一定程度上规范了开放实验室的管理制度，并且该系统具有较高的安全性、便捷性和成本低廉等优点，有效地促进了实验室智能化的发展。