基于指纹识别的人为开启电梯层门监控装置设计

叶伟，陈钰，张滢心，周傲杰，王宇航，聂晶

（1.新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，乌鲁木齐 830000；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

0 引言

随着中国经济的不断发展和城市建设规模的不断扩大，越来越多的高层建筑成为城市现代化的象征，电梯已成为人们日常工作、生活不可或缺的重要部分。电梯在带来便利和效率的同时，关于电梯使用存在的各种安全隐患也日益暴露出来。出于对自身安全的考虑，无论是电梯用户还是行业业内人士都开始更多地关注电梯的公共安全问题[1-4]。

在众多的电梯安全事故案例中，非专业人员或其他相关工作人员不当开启电梯层门而导致各种重大意外事故发生的例子时有发生。对于现代生活中频繁使用的电梯，电梯层门已成为使用过程中一项潜在的安全风险[5]。所以，研究如何利用技术满足电梯对开锁人员开启电梯层门时的警示、身份信息的识别及监控等功能的需求，以达到降低开启电梯层门的安全风险，避免该类事故的发生就显得十分必要。

传统的使用电梯三角钥匙便可开启电梯层门的设计存在诸多安全隐患，且国内多数电梯层门未安装监控装置，使得电梯层门开启的使用记录等信息的获取变得极为困难。现有的研究中，利用现代技术手段对电梯层门及开启电梯层门的钥匙结构形式的研究较多且均有应用[6-9]，而对电梯人为开启层门的监控与身份识别记录的研究较少。

故本研究设计一款指纹识别的人为开锁电梯层门监控装置，可以成功解决因电梯层门紧急开锁装置被非工作人员使用而导致安全事故发生的问题，也可以实时监控紧急开锁装置的状态，提高了电梯层门的安全性，还可以记录存储工作人员操作紧急开锁装置的时间和个人信息[10]。如果工作人员操作电梯层门后导致电梯后续出现问题，方便追究其责任，因此设计指纹识别的人为开锁电梯层门监控装置具有实际意义。拟采用指纹识别加三角钥匙开锁的电梯层门设计，避免因为三角钥匙使用不当而引发事故的发生，从而提高电梯层门开启的安全性能，消除其存在的安全隐患。

1 监控装置总体设计方案

本文实现的系统用于实现开锁人员身份信息的识别核对，该功能可基于指纹信息识别技术改善电梯使用的安全性，正确使用紧急开锁钥匙开启电梯层门，此外拟通过LoRa[11-12]和NB-IoT[13-14]两种组网通信方式使得系统能够在云端存储并查询所记录的信息，从而完善钥匙使用信息的自动记录。

1.1 监控装置结构及需求分析

目前，大多数电梯都没有相应的人为开锁监控装置，基本上都是采用传统的机械三角钥匙进行紧急开锁，然而这样的三角钥匙需要符合国家标准，这就使得三角钥匙是相对唯一和统一的，这就有可能非工作人员利用其他设备的三角钥匙进行开锁，从而发生电梯事故，所以必须将传统紧急开锁装置进行改进或改造，从而提高其安全性。

如果将传统紧急人为开锁装置进行改装，有可能会改变电梯层门结构，所以在原有的传统开锁装置上加装一个监控止锁装置，就可以在不改变电梯层门结构的同时增加层门的安全性。本设计选择的是在三角钥匙背后的绞结处加一个电磁锁，电磁锁的开启由指纹识别模块控制，只有指纹识别通过，电磁锁顺利打开，才能使用三角钥匙进行层门开锁。整个监控装置包括指纹识别模块、电磁锁模块、控制模块、供电模块、网络通信模块。其中指纹识别模块实现对层门开锁人员的身份信息核实，电磁锁模块实现对电梯层门自身三角钥匙的止锁，控制模块根据指纹识别模块的识别结果实现对电磁锁锁舌的控制，供电模块实现对整个层门内监控装置的电源供电，网络通信模块实现对开锁人信息的网络上传。电梯层门内监控装置结构示意图如图1所示。其工作流程如下：如果指纹识别模块未核实开锁人身份信息，则未向电磁锁发出解锁信号，电磁锁锁舌不会吸入，保持对三角锁拉杆-5的止锁，电梯层门无法开启。如果指纹识别模块核实开锁人身份信息，则向电磁锁发出解锁信号，电磁锁锁舌吸入，实现对三角锁拉杆5的解锁，开锁人通过三角锁拉杆5推动推杆4，带动动钩3通过门锁轮2向上抬起，使动钩3与定钩1分离，实现电梯层门的开启。

图1 监控装置结构示意图

在监控装置运行时，首先系统需要对开锁人员的身份信息进行采集，并将采集到的信息上传至云端进行存储，同时查询已授权的具备开启电梯层门资格人员信息，进行比对，以实现开锁人员信息的检测与识别；同时存储记录所采集的信息，供相关专业人员之后查询使用。此外，系统还需要实现报警功能，使得当比对结果显示开锁人员为非专业人员时，触发报警模块提醒开锁人员及物业，及时预防安全事故的发生。当核实成功时，还需要单片机触发电动推杆动作，从而带动锁定装置缩回，可人为开启电梯层门。为了预防出现紧急救援时维保人员不在现场的情况，该监控装置还应实现远程开锁的功能。

因此，在保证不影响电梯正常运行的情况下，设计的人为开锁电梯层门监控装置需满足下面几个要求：

1）在不改变电梯结构的基础上增加一个电磁锁，在电磁锁开启后，才能使用三角钥匙进行开锁，若电磁锁未打开，则无法使用三角钥匙打开电梯层门，从而增加紧急开锁装置的安全性。

2）使用相应的模块先进行工作人员的信息采集，然后经过单片机存储，当工作人员需要进行开锁的时候，进行身份信息比对，身份信息正确，单片机给继电器一个信号，从而使电磁锁开启，然后再使用三角钥匙进行开锁。

3）若身份信息比对不正确，单片机不向电磁锁输出信号，对电磁锁进行锁定，同时给相应的报警装置一个信号，提醒相应安保人员进行处理。

4）工作人员进行身份识别时，由无线传输模块将操作者的身份信息及操作时间传送给监控中心计算机显示、处理、记录，以便在后续因操作而造成电梯故障等问题之后，追究其操作者的责任。

5）经监控中心授权后，可以实时查询之前所有的操作记录和操作时间。紧急情况下，可对经过授权的电梯层门进行远程紧急开锁。

1.2 监控装置方案设计

监控装置由A/D转换模块、D/A转换模块、单片机、指纹传感器、信号调理电路、驱动电路和继电器等部分构成，系统结构框图如图2所示。

图2 监控装置方案设计图

指纹信息录入时，传感器的作用是采集工作人员的指纹，信号调理电路可将指纹转换为对应的模拟信号，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号送入单片机，单片机收集输入数据的信息并加以处理、储存。

指纹识别开锁时，指纹传感器的作用是识别工作人员的指纹，通过信号调理电路转换为相应模拟信号，同样经A/D转换模块变换为数字信号传输给单片机；单片机可对比判断输入指纹与存储指纹，当识别的指纹与存储的指纹一致时发出控制指令，通过D/A转换模块变换为模拟信号，发送到驱动电路，驱动电路控制继电器动作，使电磁锁打开；当识别的指纹与单片机存储的指纹不一致时，单片机不发出任何指令。

另外，增添控制/信息处理模块分别采用LoRa模块和NB-IoT模块将采集的信息通过串口通信技术上传至服务器，服务器将事先录入的开锁人员指纹信息库与上传的指纹信息进行对比，从而确定开锁人员的具体身份或认定为非授权人员。

2 硬件选型及软件设计

2.1 硬件选型

2.1.1 单片机选型

为满足电梯层门监控装置的使用环境及实现无线网络传输的要求，本设计中使用的单片机是STM32F103 C8T6。STM32F的特点是高性能、低成本和低功耗[15]。

2.1.2 检测模块选型

检测模块采用ATK-AS608光学指纹识别模块[16]。芯片将指纹的识别算法集成在其内置DSP运算单元中，调用方便，能快速高效地采集指纹图像并识别其特征。模块拥有串口和USB通信接口，用户可根据实际情况选择使用，按照一定的通信协议即可控制模块。其技术指标如表1所示。

表1 技术指标

2.1.3 执行机构选型

本设计所选用的执行机构主要是电磁锁，它是利用电磁原理来控制锁舌缩入和伸出的一种电控门锁。利用电产生磁场，磁场的吸力将锁舌缩入，门打开，断电后磁场消失，锁舌在弹簧的作用下弹出，门锁上。因为其没有复杂的机械结构，成本低、体积小，一般适用于各类储物柜、箱体、门窗、寄存柜、配电柜等。

根据设计要求，本设计选择的电磁锁型号为EML1-3B，即电压为DC12 V，锁舌方向向左的电磁锁。锁舌方向可根据需要自行调整，调整步骤如下：拆下锁盖，用一字螺丝刀或其它尖硬工具撬开锁舌后面的卡簧，拉出锁舌调整到所需位置，然后装上卡簧，盖上锁盖即可。

2.1.4 控制/信息处理模块选型

1）LoRa模块。

本设计采用LoRa技术将电梯层门的层与层之间组网，信息因此可以被集中在同一层。LoRa组网由LoRa模块终端、网关、网络和应用服务器4部分组成，网关和端节点可进行数据的双向传输[18]。网关是端节点和服务器的桥梁，网关以TCWIP协议的方式与服务器通信，端节点之间则以单跳或多跳的方式与一个或多个网关通信。

LoRa模块所含的微控制单元主控芯片STM8L151C8由意法半导体公司推出，是属于STM8内核的8位超低能耗微控制器[17-18]，可同时满足物联网的性能和存储上的要求，可以进行等待、低功耗运行、低功耗等待、活跃停机与停机等5种低能耗的工作，为低功耗的设计提供了便利。

2）NB-IoT模块。

电梯开锁人员利用NB-IoT通信模块进行信息监控的存储和查询[19]，电梯开锁人员信息可以在远程监控终端与云端服务器之间交互，成本和功耗都较低。

根据使用环境，本设计选用的网络模块为中移物联M5311模块NB-IOT模组，兼容物联网开发板Onenet MQTT平台[20]。M5311是一种NB-IoT无线通信模组，基于MTK芯片平台开发，这与中国移动物联网通用模组的技术规范相契合，具有很强的兼容性，甚至可以用2.1～3.7 V的干电池供电，通过完善终端的电源方案，终端会有着更强的续航能力。M5311是一系列高性能NB-IoT模组的代表，其基带芯片的性能更强、工艺更先进，大存储、丰富的接口，内核代号Cortex M4，主频为78 MHz，采用55 nm制程工艺，拥有4 MB Flash和4 MB RAM，提供了IIC、Wakein、网络指示灯、工作状态指示灯等接口。M5311支持FOTA远程固件升级，可进行升级和版本控制，提升了模组本身的异常处理，因此可以降低组件成本。

该网络模块不仅性能高、功耗低还价格低廉。近期中国移动率先降低了单频版的模组价格，使得模块的应用更加广泛。

2.1.5 设备电源管理

为了保证供电的可靠性，内部的层门电磁锁控制模块由市电和UPS紧急电源双保险供电，在正常工作时，市电经UPS内部的整流装置输出层门电磁锁控制模块所需的DC12 V直流电源，当出现停电时，UPS将迅速切换为内部的锂电池供电，保证层门电磁锁控制模块的正常工作。设置自我监测程序，定时对UPS内部的锂电池进行健康监测，层门电磁锁控制模块的单片机对电池健康信息进行采集上传服务器，及时对可能存在的电池故障进行反馈，便于维保人员的及时修理。

图3为读卡设备电源管理原理图，对于电梯层门外接的读卡设备的电量管理，采取LED显示的方式，使用IP5306电源管理芯片，能够有效解决设备的充放电的功能。同时该电源管理芯片配合外部电感电容等器件能够提供升压后的5 V电压，用于模块的基本供电及电源扩展。可通过观察LED1～LED4显示状态获取电源内部电池电量百分比信息。

图3 读卡设备电源管理原理图

2.1.6 层门控制系统电压检测

图4为层门控制系统电压检测原理图。为在电梯内的层门控制系统中使用UPS不间断电源进行控制，并在电路内部设有电梯电源电压检测装置，连接于UPS电源内部的12 V蓄电池（图4中VIN），根据比例降压电路，对12 V蓄电池进行降压。降压后的电压值有效范围在STM32单片机的参考的标准电压3.3～0 V间（图4中ADC_IN）。降压后的信号连接至内部STM32单片机的ADC功能端口，STM32单片机凭借外围电路提供的基准电压，对获取到的降压后的电压做运算，从而实时测量出内部蓄电池的电压。通过无线模块将电压信息上传至云端，设定报警阈值，并在云端的操作界面订阅电压信息。管理员能够接收到每个电梯单元层门锁电压状态的信息，当出现数值异常时可及时排查相应情况信息。

图4 层门控制系统电压检测原理图

2.2 软件设计

层门钥匙控制模块主要是用来采集和存储工作人员的指纹信息，当采集到工作人员指纹信息后，将其指纹信息进行编号分区存储。当工作人员需要使用层门钥匙开锁时，软件会将识别到的指纹信息与存储的指纹信息进行匹配，匹配成功后则把识别出来的指纹编号通过串口传给层门电磁锁控制模块。若识别到的指纹信息与存储的指纹信息不匹配，则不会向层门电磁锁控制模块传输信息。遇到紧急情况时，云服务器可以通过M5311模块下发指令信息给LoRa模块对特定的电梯层门进行远程紧急开锁。软件流程如图5所示。

图5 软件流程图

层门钥匙控制模块内部程序设计有两套，一套是指纹采集的，另一套是指纹识别的。工作人员指纹信息的采集依赖于指纹传感器，指纹传感器将相应的指纹信息转化为相应的数字信号，传输给控制芯片，控制芯片对其进行编号处理，然后对其进行分区储存，通过485总线将指纹编号传输给网络模块，以供查询。在指纹识别过程中，使用另一套程序来识别操作员的指纹信息，并将其转换为相应的数字信号，然后与存储在单片机中的指纹信息进行比较。如果比较成功，相应的指纹号将传输到电磁锁控制模块。如果比较不成功，则结束程序。

层门电磁锁控制模块主要是用来控制层门内部的电磁锁进行开锁。当指纹传感器对操作者的指纹信息识别后，将其与存储在单片机中的授权指纹信息进行比较，如果比较成功，将相应的层门开锁信号传输给层门电磁锁控制模块。层门电磁锁控制模块将给继电器发送一个触发信号，使继电器工作，从而使电磁锁电源接通，电磁锁锁舌缩入，以解除对三角拉杆的止锁。经过10 s的时间间隔后，继电器的触发信号自动消失，继电器线圈断电，锁舌弹出，恢复对三角拉杆的止锁。在给继电器发送触发信号的同时，层门电磁锁控制模块通过485总线将开锁人指纹编号传输给网络模块，进行记录。

3 结论

本文提出一种能够对开启电梯层门的开锁人员进行身份信息识别与比对并存储、记录其信息的装置设计方案，其次兼备控制电梯层门开启以及报警和语言播报功能，以达到安全防护、监控的目的并起到一定的威慑作用，在一定程度上可阻止二次事故的发生，且云端存储的信息可供后续查询，使得当有电梯井道事故发生后，物业单位或电梯维保公司可以获得有效的记录信息，降低分析事故发生原因的难度。

但从监控角度来说，该装置尚不能提供视频资料信息及记录的功能，在各电梯楼层安装实时监控需要考虑成本及安装手续繁琐等问题；而基于LoRa技术的无线传输模块可以大大降低系统功耗，增加传输距离，加强抗干扰能力，但其成本并不低。此外，本文设计的装置需要安装在每一个电梯楼层间，这使得安装过程也在一定程度上变得较为繁琐。期望在未来的工作中，我们可以在保证模块性能质量的基础上，解决模块的成本价格问题，并探索出更便利的装置设计方案，可以在技术上有力地保障人民生命财产安全，为企业、物业、维保公司乃至政府等带来更多的利益和便利。