辐射场所钥匙管理系统设计

肖金龙,王 宾,梁立振

(1. 安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001; 2. 合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽 合肥 230000; 3. 中国科学院等离子体物理研究所,安徽 合肥 230000)

全超导托卡马克中性束注入器(EAST-NBI)实验室是开展中性束注入物理研究和工程实践的重要场所[1-2]。因EAST-NBI主机大厅里存在许多危险因素,尤其是等离子体放电期间所产生的大量辐射,所以放电实验前实验人员必须全部离开EAST-NBI主机大厅,以确保人员和设备的安全[3]。门禁系统可将人员与辐射源项在物理空间上隔离开,而钥匙管理系统作为整个辐射场所门禁系统的核心部分,其设计的科学合理性将直接决定门禁系统的成功与否[4]。因现使用的钥匙管理装置中无人机交互系统,需人工打开钥匙柜才能确认次级钥匙是否全部归还;且存在工作人员凭自身初级钥匙打开钥匙柜后,却未及时关闭,使其他人员随意取用次级钥匙,引起次级钥匙取还混乱和次级钥匙丢失难以追溯等问题。因此,设计一种新型钥匙管理系统,对安全科研和生产具有重要的现实意义。

1 整体方案

EAST-NBI实验室与普通场所的门禁系统有所区别。EAST-NBI实验室需用初级钥匙来换取次级钥匙,通过次级钥匙才能开启主机大厅的最后一道门禁,待工作人员完成工作离开主机大厅后,必须及时将次级钥匙归还至控制大厅内的钥匙管理装置中。当次级钥匙全部归还于钥匙管理装置内,确保主机大厅内无人员滞留后,方可开展后续的放电实验[5]。初级钥匙为工作人员所携带且已被授权的射频工作卡;次级钥匙为存放于钥匙管理装置中的射频钥匙卡扣。

根据辐射场所的特殊需求,本文设计了一种辐射场所的新型钥匙管理系统,是集机、电、测、控于一体的综合系统,其整体框架设计如图1所示。主要包括钥匙箱体和相应的机械结构,其中主控模块以STM32为主控芯片,通过接口与其它功能模块连接,最终实现初级钥匙的读取识别和次级钥匙的取还操作。PC端作为上位机采用以太网实现与下位机之间的数据交互,上位机可将读卡器接收到的刷初级钥匙的人员个人信息保存至后台数据库,以便管理员对取还次级钥匙的记录查询和人员信息的管理。整体采用“STM32单片机+PC”的下上位机模式,可根据工况的实际需求,设计功能程序和操作界面。

图1 钥匙管理系统整体框架

2 机械结构设计

机械结构包括:钥匙管理箱内部结构,含支架、动力传送模块、钥匙挂钩、控制和检测模块等;钥匙管理箱外部结构,含钥匙取还口、射频读写模块、液晶显示模块和声光指示报警模块。钥匙管理装置内部结构如图2所示。

(a) 内部机构

(b) 机构前视1—控制主机;2—安装架;3—箱体;4—传送带;5—从动轮;6—第二光电传感器;7—第一光电传感器;8—挂钩;9—主动轮; 10—支架;11—步进电机;12—TFTLCD显示屏;13—钥匙取还口;14—声光报警模块;15—射频读写器图2 钥匙管理装置

安装架上固定安装有第一光电传感器和第二光电传感器,用来判断次级钥匙是否悬挂在钥匙挂钩上;安装架底部固定安装有控制主机,是以单片机为核心的控制板卡构成,来控制整个下位机的运行和上位机的通讯;控制主机的左侧设置有步进电机来提供传送机构所需的动力来源,步进电机的输出端上固定安装有主动轮,主动轮啮合连接在传送带上,传送带传动连接多个从动轮,从而带动固定安装有多个钥匙挂钩的传送带运转,最终实现次级钥匙的正转送出和反转送回。

箱体外侧设置有钥匙取还口,钥匙取还口左侧有射频读写器,用来读写工作人员被授权的初级钥匙。控制主机根据初级钥匙的读写次数来下达步进电机的转向指令。钥匙取还口右侧有液晶显示屏,用来显示刷初级钥匙人员的个人信息、次级钥匙的取还状态以及装置内次级钥匙的使用情况说明。钥匙取还口左侧有声光指示模块,用于装置正常运行或故障报警的指示。

3 下位机控制系统设计

3.1 硬件设计

辐射场所下钥匙管理系统的硬件架构如图3所示,根据不同的系统功能将控制硬件电路划分为基本电路和外围电路。该系统以STM32F103ZET6微处理器为主控芯片,通过SPI接口完成与射频读写芯片和W5500以太网芯片的连接,以实现初级钥匙刷卡模块设计和下位机与上位机的以太网网络通信;通过FSMC接口与LCD显示屏连接,实现系统终端信息的显示;通过I/O接口实现对电机驱动、声光报警模块和光电检测器模块的控制。基于Keil平台通过软件程序的控制实现各个模块间的数据信息传递和协同工作。

图3 控制器硬件架构

3.1.1 基本电路

控制主机的主板在取得AC-DC开关电源输出的DC5V后,再经输出电压为3.3 V的正向低压降稳压器AMS1117-3.3,分别给板载的DC 5 V电路模块和DC 3.3 V电路模块进行供电。为提供微控制器的时钟基准,需设计时钟电路来提供芯片所需的RTC时钟和系统时钟。为实现复位目的,需将主控芯片的复位引脚设置为低电平状态,来实现按键复位和上电复位的需求。因为SWD引脚少、效率高的优点,所以调试电路选择JTAG、SWD中的SWD方式作为硬件电路的调试接口。存储电路的设计用来扩展芯片的存储上限与功能,使控制器在使用时更加灵活。

3.1.2 外围电路

1) 刷卡模块电路。刷卡模块选用MFRC522芯片,该芯片是NXP公司一款高度集成的非接触式读写卡芯片,其将调制和解调集成到芯片协议和通信方法中,使得无需其他电路,便可实现读写器天线与卡片的通信。本文采用SPI接口来实现对初级钥匙的信息读写,完成终端刷卡功能。

2) 电机驱动电路。控制系统电机驱动模块接线如图4所示,包含STM32主控板、HBS57闭环步进电机驱动器、57步进电机和开关电源。HBS57驱动器的控制信号采用共阳极接法。主控板使用PUL引脚输出PWM信号控制电机的旋转速度,使用DIR引脚控制电机的旋转方向,使用ENA引脚控制电机使能或失能。HBS57驱动器的ALM报警信号输出类型为集电极开路形式,与主控板的输入接口连接。因HBS57驱动器采用闭环控制技术,自带位置编码器,经信号线连接至步进电机,使电机具有伺服电机的闭环特性,可从根本上解决传统步进电机的丢步问题[6]。可达到本设计中对次级钥匙稳定和精确的传送要求。

图4 电机驱动电路

3) 光电检测电路。第一光电传感器和第二光电传感器均采用TCRT5000反射式红外光电传感器来检测次级钥匙是否在位。红外反射式光电传感器由1个红外光发射管和1个用于接收器的光敏三极管组成[7-8]。当次级钥匙在位时,其红外线将被遮挡,并把红外线反射回接收器,光敏三极管将导通,正输入端IN+电压接地,小于负输入端IN-电压,使放大器输出端OUT输出低电平。此时模块输出端发送低电平信号给主控芯片,主控芯片开始向电机驱动器发送驱动信号,使电机正转或反转。光电传感器的存在将避免步进电机的误动作,确保次级钥匙挂钩处有次级钥匙的存在后再进行相应转动。光电检测电路原理如图5所示。

图5 光电检测电路原理

4) LCD显示电路。本系统采用ALIENTEK公司推出的ATK-4.3TFTLCD模块,这是一款高性能的4.3寸电容触摸屏,必要时可以用来作为控制输入。ATK-4.3TFTLCD液晶显示模块通过34(2×17)个引脚与外部设备连接,且本模块使用双电源供电,因5 V的电源用于背光供电,3.3 V用于模块其他部分供电。通过本电路可以实时显示取还次级钥匙人员信息和次级钥匙使用情况。

5) 以太网接口电路。通信电路采用W5500以太网芯片,W5500芯片自带10/100 Mbps以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY),是采用全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器,其全硬件协议栈技术采用硬件逻辑门电路实现复杂的TCP/IP协议簇[9],在STM32芯片SPI总线的控制下,W5500网络芯片将所采集的初级钥匙数据信息传送至上位机,以便数据的分析、处理和显示。因W5500为高频以太网芯片,易受电磁干扰,所以需要在W5500和交换机之间接入网络变压器。以太网接口电路如图6所示。

图6 以太网接口电路

3.2 软件设计

钥匙管理系统工作流程主要分为取次级钥匙和还次级钥匙两部分。控制系统软件基于MDK开发环境,使用C语言设计。取还次级钥匙流程如图7所示。

图7 取还次级钥匙流程

1) 取次级钥匙。程序运行前需对系统上电初始化,初始化完成后系统开始工作。在LCD屏提示信息指导下,工作人员把自身被授权的初级钥匙靠近钥匙管理装置箱体正面的射频读写器模块,读写器奇数次读取初级钥匙信息且第二光电传感器检测到次级钥匙为在位状态后,控制器控制步进电机正转到位,将次级钥匙经传送机构送至钥匙取还口,待工作人员取用。上述过程中,若初级钥匙未被授权,系统则予以声光报警提示,读写器继续监听等待下次读卡;若第二光电检测未检测到次级钥匙在位,则说明装置内钥匙已被取完。

2) 还次级钥匙。当同一初级钥匙被射频读写器偶数次读取后,即为还次级钥匙状态。首先,在LCD屏提示信息指导下,工作人员应将用毕的次级钥匙通过钥匙取还口挂在钥匙挂钩处,然后刷初级钥匙,经读写器读取信息发送给控制器,同时第一光电传感器检测到钥匙为在位状态后,控制器将控制步进电机反转,电机反转到位,将次级钥匙经传送机构送回钥匙管理箱内。上述过程中,若第一光电检测未检测到次级钥匙在位,则说明取用钥匙人员未把次级钥匙放于钥匙挂钩上,应根据LCD屏提示操作,若超时未检测到次级钥匙在位,系统将会关闭。

以上即为1次完整的取还次级钥匙流程。在取还次级钥匙的整个过程中,TFTLCD显示屏上会实时显示取用次级钥匙的人员信息以及次级钥匙取用情况,直至次级钥匙成功归还于钥匙管理装置内,其全程产生的数据将经以太网上传至上位机。

4 上位机系统设计

4.1 软件总体设计

上位机与下位机之间采用C/S(Client/Server)模式通讯,在此系统中下位机被设置为服务器身份,PC上位机被设置为客户端软件身份,客户端和服务器之间采用TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)套接字的网络技术通讯。

上位机主要功能分为以太网通信、数据接收、数据处理、数据储存和指令发送五部分。上位机软件设计框架如图8所示。

图8 上位机软件设计框架

1) 以太网通信。基于W5500采用TCP/IP传输协议实现上下位机通讯,完成数据交互,将上下位机形成一个整体。

2) 数据接收。上位机经以太网接收下位机射频读写器读取到的初级钥匙信息。

3) 数据处理。将人员初级钥匙卡号写入,并能对相关人员信息进行增删改查操作。

4) 数据存储。将上位机接收到的数据存储到数据库中,以便管理员对取还次级钥匙记录的查询和导出。

5) 指令发送。上位机具备发送相关指令的功能,进而向下位机发送步进电机正反转指令,来实现次级钥匙的传送。

4.2 交互界面设计

PyQt5是基于Qt的Python GUI库,有众多类、函数和方法,支持跨平台应用。其核心是通过信号与槽机制实现各组件的联系,UI界面和逻辑功能代码分离设计,有利于GUI在代码层、对象层和系统层的管理应用[10]。基于PyQt5的优点,本文PC端上位机的人机交互界面采用PyQt5开发。

上位机设计的核心任务是完成功能全面的人机交互界面设计。辐射场所运维作业人员需要通过利用交互界面来实现对钥匙管理装置的监控,监控任务包括下达控制指令、接收上传的数据在软件内做出相应的处理和显示等。除此之外,人机交互界面还需要设计完善的登陆机制、人员管理功能和记录查询等个性化功能。根据实际需求,交互界面主要设计了如下功能:

1) 登陆模块。主要任务是根据用户输入的用户名和密码判定是否允许当前用户进入主控制界面。

2) 人员管理。主要功能是完成的工作人员初级钥匙卡号的写入,个人信息查看、更改和删除等操作。

3) 记录查询。实时记录工作人员取还次级钥匙情况,且可导出日志文档。

下位机进行相关配置后,箱体上的读卡器将对初级钥匙进行读写分析,根据初级钥匙被读写的次数来判断是取或还次级钥匙,此记录将通过以太网模块传送至上位机,供管理员登录查询,登录界面如图9所示。

图9 登录界面

管理员可通过上位机的主监控界面对初级钥匙的信息进行登记注册,把个人信息传入数据库,便于后续的增删改查操作;可对次级钥匙的使用记录按不同类型查询;必要时上位机还可以控制下位机步进电机的正反转来实现次级钥匙的取还操作,主监控界面如图10所示。

图10 主监控界面

5 系统整体功能测试

根据上述机械、硬件和软件设计,进行了样机制作并搭建测试平台。图11为试验台搭建实物。试验表明:1)射频读写器能准确识别初级钥匙所对应的人员信息,并正确判断为取或还次级钥匙的状态;2)在光电传感器检测到次级钥匙在位后,闭环步进电机能平稳精确的传送次级钥匙至指定位置;3)人机交互系统的液晶显示屏能实时显示取还次级钥匙的人员信息和待还次级钥匙的人员姓名;4)下位机能将取还次级钥匙的记录经以太网上传至监控平台,若次级钥匙超时未归还,管理员可登录平台查看记录,便于对人员和钥匙的及时追溯。

图11 钥匙管理系统试验台搭建实物

6 结语

在辐射场所,门禁系统中钥匙管理的科学高效性相当重要,为实现这一目的,本文提出一种钥匙管理系统,对该装置的机械系统、驱动控制系统和人机交互系统进行了设计。经测试表明功能能够达成、方案可行,解决了辐射场所由于钥匙管理装置智能化程度较低,次级钥匙管理混乱的问题。实现了工作人员、初级钥匙和次级钥匙的动态绑定,次级钥匙使用情况的实时显示与查询,便于次级钥匙未还或丢失的及时追溯,从而可以有效地完善门禁系统,确保工作人员的安全和设备的高效运行。