面向实训基地管理系统的门锁控制网络终端设计

梁亚峰 苏龙

（成都航空职业技术学院 四川省成都市 610100）

实训基地是职业院校开展实践教学的主要教学场所，是实现实践教学任务目标的重要平台[1]，如何优化资源配置，提高实训基地的利用率，管好、用好实训基地是职业院校面临的一大难题。目前，不少国内的高职教育工作者对实训基地的管理做了大量的研究，并取得了一定的成果，文献[1-2]等从管理机制以及信息化平台的设计等不同的层面进行了有益的探索，但对于实训基地管理的网络终端没有提出具体的解决方案，本文设计了一种面向实训基地管理系统的门锁控制网络终端，通过MQTT 物联网通信协议来获取存储于服务器的用户预约成功的开锁授权信息，通过人脸识别模块获取当前开锁者是否为当前时间已预约的用户，在以上两种信息一致的情况下，实现实训基地门锁的开关控制，同时能够将实训基地在预约时间端内是否使用信息发送至指定的信息化管理平台，进而实现实训基地更加科学、合理的管理。

1 系统总体设计

系统应用场景与总体框架如图1所示，系统的主要工作流程是已经注册成功的用户，首先在信息化管理平台进行预约，预约成功的信息将通过网络下发至本终端，然后在本终端通过人脸识别进行身份验证，系统判断预约信息中的使用时间和用户身份信息与系统当前时间和当前检测用户的身份信息一致时，将会通过继电器模块打开实训基地门锁，同时锁已打开的信息将回传至服务器，以便于服务器端进行相关数据的统计分析。本文主要介绍门锁控制网络终端的设计与实现，门锁控制网络终端由主控模块、Wi-Fi 模块、人脸识别模块、触控屏模块、继电器模块、信号转换模块以及电源管理模块组成，其中继电器模块的功能是将单片机的I/O 信号转换为可以驱动电控锁的信号，信号转换模块的功能是采集实训基地门锁是否上锁的传感器信号。

图1：系统应用场景与总体框架

2 硬件电路设计

2.1 主控模块电路设计

系统的主控模块是以小体积、低功耗的单片机为核心，外加构成单片机最小系统的复位电路、时钟电路。本次设计采用以STM32F103RCT6 单片机为核心的主控电路，该单片机是基于ARM CortexTM-M3 核心的高性能单片机，其最高工作频率可达72MHz，片上集成了48KB 的RAM 和256 KB 的ROM，3 个SPI接口、5 个USART 接口[3]，能够满足设计需求。

2.2 外部存储模块电路设计

由于系统需要存储大量的用户信息，所以需要增加外部存储，本次设计选用了支持SPI 接口的FLASH 存储器W25X16，存储容量为16Mbit，传输速率最大75MHz，具有体积小、功耗低的特点，其电路图如图2所示。

图2：外部存储模块电路

2.3 Wi-Fi模块电路设计

Wi-Fi 模块选用了基于ESP8266EX 的集成模块ESP-01S，ESP8266EX 是一个完整且自成体系的Wi-Fi 网络解决方案，通过SPI/SDIO 接口或I2C/UART 接口即可实现无线网络接入，片内集成了天线开关、功率放大器、低噪声接收放大器、滤波器和电源管理模块，占用系统资源少，开发成本低[4]。Wi-Fi 模块的电路图如图3所示，其中GPIO0 用于设置ESP8266EX 的工作模式，上拉为工作模式，下拉为下载模式，ESP-01S 模块内部已经做了上拉处理，在本次设计中悬空即可。

图3：Wi-Fi 模块电路

2.4 人脸识别模块电路设计

人脸识别模块选用了FaceModule210-EV-Board 集成模块，FaceModule210 是一款工业级人脸识别模块，该模块采用双核64位AI 专用处理器，算力高达1TOPS。模块内部集成人脸识别算法，通过红外和彩色双目摄像头采集人脸数据，并由内部的算法进行数据处理，运算处理后的数据经串口传送给主控制器。本次设计中采用STM32F103RCT6 的USART3 与FaceModule210 进行通信。

2.5 触控屏模块电路设计

触控屏模块选用了BM1060K070_11C 集成模块，该模块采用了基于嵌入式控制系统纯硬件驱动显示解决方案，集成了7 英寸显示屏和电容触控组件，分辨率为1024×600，通过上位机开发显示界面，主控模块仅通过串口就可以实现相关参数的显示与触控信息的采集。本次设计中采用STM32F103RCT6 的USART4 与BM1060K070_11C 进行通信。

2.6 继电器模块

继电器模块的功能是控制电控锁或者电动卷帘门动作，目前市面上的绝大多数电控锁以及电动卷帘门的控制端都可以通过常开或者常闭的触点来控制其动作，所以本次设计中采用了继电器的机械式触点来实现，进而可以适配不同电平标准的电控锁，继电器模块中包含4 组常开和常闭触点，以适配不同的使用场景。

2.7 信号转化模块电路设计

可以检测是否上锁的传感器有很多种类型，如光电开关、接近开关、霍尔式传感器等，一般是开关量信号输出，但是电平标准有不同规格，主要有DC5V，DC12V，DC24V 等，为了适应现场不同电平标准的传感器，本文设计了支持PNP 输出且可以兼容以上三种电平规格的信号转化电路，具体电路图如图4所示。

图4：信号转化模块电路

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括各硬件模块的参数配置与控制程序、系统功能实现程序以及主程序，参数配置与控制程序主要包括ESP8266 的网络配置程序、人脸识别模块的控制程序、触控屏的控制程序、外部存储模块的数据读写程序等，系统功能实现程序主要包括用户注册与删除程序、开锁控制程序、关锁控制程序等，主程序主要包括系统初始化程序等，以下重点介绍用户注册程序、开锁控制程序以及主程序的设计。

3.1 用户注册程序

用户注册程序在以5 毫秒为周期的中断函数中实现。用户注册流程如下，首先检测触控屏上的注册按键是否按下，如果按键没有按下，则结束该程序，如果按键按下，则读取拟注册用户在触控屏上输入的用户姓名和工号信息，并检测在一分钟内确认键是否按下，如果没有按下，则系统认为超时而结束该程序，如果按下，则向人脸识别模块发送注册请求并检测注册结果，如果注册失败，则在显示注册失败信息，然后结束该程序，如果注册成功，则将注册成功的信息写入到外部存储器FLASH，并在显示注册成功信息，然后结束该程序。具体流程图如图5所示。

图5：用户注册程序流程图

3.2 开锁控制程序

开锁控制程序也在以5 毫秒为周期的中断函数中实现。程序工作流程如下，首先读取系统当前时间和来自于服务器的用户预约信息，然后对比当前系统时间是否在用户已经预约开锁的时间段范围内，如果不在，则结束该程序，如果在，则读取人脸识别模块信息，如果人脸识别模块没有用户发起开锁请求，则结束该程序，如果有用户发起了开锁请求，则对比当前发起请求的用户信息是否与预约用户信息相同，如果不相同则结束该程序，如果相同，则控制继电器模块进行开锁，然后检测锁是否己打开，如果没有打开，则在触控屏显示报错信息，并将报错信息上传至服务器，如果已经打开，则在触控屏显示门锁已打开的信息并将数据发送至服务器。具体流程图如图6所示。

图6：开锁控制程序流程图

3.3 主程序

主程序中主要实现系统初始化、ESP8266 网络参数配置、连接MQTT 服务器、开启以5 毫秒为周期的中断，然后进入while(1)主循环，在主循环中不断检测各个模块是否正常工作，如果出现了异常则发送错误信息至触控屏或服务器。

4 系统测试

4.1 系统测试环境的搭建

本次设计的门锁控制网络终端实物如图7所示。本次测试需要信息化管理平台、MQTT 服务器以及实训基地门锁。信息化管理平台在前期已经开发完成并部署于阿里云服务器，可以从计算机网页端和微信小程序端访问。MQTT 服务器采用了开源的云原生分布式物联网接入平台EMQ X，并部署于阿里云服务器。控制对象为实训基地电动卷帘门，该卷帘门控制端的三个控制信号分别为上升、下降和停止，本次测试中将其连接至本次开发终端的三路继电器模块的常开触点，并将电动卷帘门的公共端连接至继电器的公共端。

4.2 系统测试过程

（1）系统上电测试各模块是否工作正常，系统首次使用时需要为ESP8266 配置网络，配置完成后系统正常工作，可以通过触控屏的主界面观察系统是否工作正常。

（2）新用户注册功能测试，通过触控屏的人机界面提示进行新用户注册并查看注册结果。

（3）预约信息接收测试，通过网页端或微信小程序端进行实训室预约，在触控屏查看预约信息是否成功接收。

（4）开锁测试，在预约使用的时间段内通过终端的人脸识别测试门锁是否可以正常打开。

4.3 系统测试结果

测试结果表明系统各模块均能正常工作，系统各项功能均可实现，经过长时间的运行，系统工作稳定可靠，达到了预期的效果。

5 总结

本文设计了一种面向实训基地管理系统的门锁控制网络终端，能够根据信息化管理平台下发的实训基地使用预约信息和本地人脸识别信息控制实训基地门锁的开关，并能够将实训基地当前的使用信息及时反馈至信息化管理平台。经过反复测试，系统工作稳定、可靠。