利用NB-IoT技術的機房智能門禁設計

賴瑞鏹

(泉州華光職業學院，福建 泉州 362121)

摘 要 ：隨著智慧校園的不斷發展，學校機房的門禁系統也在逐漸智能化。本文設計了一種利用 NB-IoT 技術的機房門禁系統。該門禁系統以 Arduino Mega2560 Pro 為主控，采用 NB-IoT 通信方式。系統利用指紋識別模塊識別人員身份 ;利用繼電器控制電磁鎖的開與關 ;利用 LCD 顯示屏顯示指紋錄入、臨時授權碼輸入等信息。電池電壓、身份識別等信息通過 NB-IoT 傳輸到點燈科技平臺，實現遠程監測。當需要臨時開啟門禁時管理員可登錄點燈科技平臺(或 APP)實現遠程解鎖。

0 引 言

隨著窄帶物聯網等技術的不斷發展，智慧校園也在快速發展。智慧校園是集大數據、物聯網、互聯網等技術于一身的校園管理體系，在《智慧校園總體框架》(GB/T 36342—2018)中明確提出智慧校園是數字進校園的進一步發展和提升，是教育信息化的更高級形態 [1]。標準中指出，基礎設施層中的感知系統應包括設備感知和人員身份識別等。機房是學校的重要教學場所，傳統的機房門禁系統安全性、方便性以及管理方式已經無法與智慧校園的智能化需求相匹配。因此，將機房門禁系統進行升級改造很有必要。

目前，普通機房的門禁還是采用簡單的機械鎖方式，傳統的機房門禁需要專人操作。隨著智慧校園的不斷發展，傳統的管理方式已經不適合當前的校園 [2]。本文設計了一種利用 NB-IoT 技術的機房智能門禁系統，該系統能夠為機房管理工作人員提供便利，提高機房管理效率。本系統利用電磁鎖代替傳統的機械鎖 ;利用指紋識別模塊識別人員的身份，識別結果顯示在 LCD 顯示屏。同時將識別的信息通過 NBIoT 模塊傳輸至點燈科技平臺，管理人員可登錄平臺查看識別信息。身份識別結果不僅顯示在屏幕上，也可通過語音播報模塊播放，指紋信息的錄入可通過矩陣鍵盤上的按鍵切換功能實現。當無權限的人要進入機房時，管理人員可遠程解鎖，也可通過矩陣鍵盤輸入臨時授權碼進入。

1 系統總體設計方案

機房門禁系統以 Arduino Mega2560 Pro 為主控制器，包含身份識別的指紋識別模塊、數據傳輸的 NB-IoT 模塊、繼電器電磁鎖模塊、信息顯示 LCD 顯示屏、矩陣鍵盤、電池電壓檢測電路以及人性化語音播報模塊。系統總體設計框圖如圖 1 所示。

2 終端硬件設計

2.1 主控制器

系統主控制器采用 Arduino Mega2560 Pro。該主控板尺寸為 38 mm×55 mm，比常見的 Arduino UNO 主控板的尺寸小 ;小尺寸的主控板也使得終端的尺寸相對較小。Mega2560Pro 與標準版 Mega2560 均采用 ATmega2560(16 MHz 晶振)芯片，也就意味著這兩個模塊功能一致。Mega2560 Pro 有54 個數字接口(I/O 口)，其中有 15 個可以作為 PWM 直接輸出。Mega2560 Pro 提供 4 路 UART 通信，即 Serial 通信。數據通過 ATmega 8U2/ATmega 16U2 時指示燈閃爍(除 0 和1 口)。利用 SoftwareSerial 庫可將 Mega2560 Pro 的任意數字接口作為通信接口使用。Mega2560 Pro 產品參數見表 1 所列。

2.2 NB-IoT 模塊

系統識別的身份、電池電壓等信息通過 NB-IoT 傳輸到物聯網平臺。NB-IoT 模塊采用谷雨物聯網的 NB101 模塊。NB101 是一款基于移遠 NB 模組 BC95 的 NB 核心板，模塊引出常用信號，即插即用非常方便，是一款高性能、低功耗的模組 [3]。NB101 板載 IPEX 射頻天線座、5 V 轉 3.3 V LDO穩壓電源、MicroSIM 卡座、ESD 防護電路等資源 ;用戶只需注重上層應用就可以快速開發出基于 NB-IoT 的產品。模塊有 3 種工作模式 ：喚醒(Active 狀態)、輕休眠(Idle 狀態)、深睡眠(PSM狀態)。模塊處于喚醒狀態時所有功能正?？捎?，可以進行數據發送和接收。模塊處于輕休眠狀態時，網絡處于 DRX/eDRX 狀態，可接收尋呼消息 ;模塊處于深睡眠狀態時，內部只有 RTC 工作，網絡處于非連接狀態 [4]。

模塊常用的接口有 8 個，包括電源接口 VDD 和 GND，模塊 UATR 通信接口 TXD 和 RXD，模塊的 TXD 為發送數據接口，與主控的 RXD 連接 ;模塊的 RXD 為發送數據接口，與主控的 TXD 連接。2 個引腳均為 3.0 V 信號電平，當與 3.3 V主控連接時要串聯 1 kΩ 的電阻。LDO 穩壓芯片使能引腳EN。模塊復位引腳 RESET。模塊還有 2 個通信指示引腳 ：NET 網絡指示燈狀態輸出引腳以及異步消息通知引腳。

2.3 指紋識別模塊

指紋識別采用 AS608 光學指紋識別模塊。AS608 光學指紋識別模塊內部集成有指紋識別算法，能快速采集和識別指紋 ;該模塊在保險柜、考勤機、門禁系統中尤為常見。指紋識別模塊與主控之間的數據發送與接收都按照一定的指令格式打包。解析數據包時也必須按照規定的指令進行格式解析。模塊指令模式有 3 種 ：數據包格式、命名包格式以及結束包模式。指令包和數據包包括 ：包頭、芯片地址、包標識、包長度 ;數據包與結束包的區別在于包標識。在指令包或應答包后一定跟著數據包，數據包不能單獨進入執行流程。

AS608 光學指紋識別模塊利用光的折射和反射原理 [5]。指紋識別模塊兩個基本功能 ：一是采集指紋圖像信息 ;二是根據原有的指紋對新的指紋進行對比，從而達到身份識別的目的。在指紋識別模塊中有發光二極管和電荷耦合器件(CCD)。發光二極管為模塊提供光源，照亮手指上的指紋 ;CCD 是一組光敏二極管，每一個光敏器件記錄一個像素。在模塊中有一個模數轉換器，能夠將光敏器件記錄的像素轉換成模擬電子信號，從而將圖像數字化。當手指放到指紋識別模塊的三棱鏡上時，發光二極管提供光源照亮指紋，光從底部射向三棱鏡。光束在凹凸不平的指紋紋路上的折射角度和光線明暗各不同，CCD 搜集到明暗程度不同的圖片信息，從而完成指紋采集 [6]。光學指紋識別模塊的原理如圖 2 所示。

2.4 門禁鎖

系統利用電磁鎖代替普通機械鎖，實現自動化控制。門禁鎖模塊由一個電磁鎖和一個光耦隔離繼電器組成。主控制器引腳無法直接驅動電磁鎖，因此在電磁鎖的前端需要增加一個光耦隔離繼電器 [7]。當光學指紋識別模塊識別到已有指紋時，主控發出信號使繼電器吸合電磁鎖通電，門開啟。繼電器有常閉和常開兩種觸點，為了降低功耗，本系統使用常開的觸點。通電時，常開接口與 COM 公用接口短接。模塊中的 IN 接口與主控連接，通過主控引腳高低電平輸出即可實現繼電器的吸合。模塊觸發方式(高電平觸發或低電平觸發)可通過跳線選擇。

2.5 語音播報模塊

系統中的語音播報模塊實現了系統的人性化設計。語音播報模塊主要用于身份識別、指紋錄入、刪除等操作信息的播報。語音播報模塊采用中文 TTS 文字轉語音合成模塊。該模塊能夠將漢字、大小寫英文字母、數字直接轉換成語音輸出。在串口輸出播放內容即可，例如要播放“指紋刪除成功”，代碼為 Serial.print (“指紋刪除成功”)。模塊通過 UART 串口通信，模塊的 TXD 和 RXD 分別與主控制器的 RXD 和 TXD連接。在使用該模塊過程中，需要注意的是語音輸出后要增加延時語句，即需要一定的時間讓語音模塊讀完播放信息。

2.6 電池電壓檢測電路

為防止停電時無法開啟門禁進入機房的問題，在系統內置一個可充電電池。電池電壓是電池的重要參數之一，系統采集電壓并將數據傳輸到平臺。主控的模擬接口最大輸入電壓為 5 V，因此利用電阻串聯分壓的方式采集電壓 [8]。在電池電壓檢測電路中還需要考慮一個問題 ：電路中的電阻不能過小，否則會導致電池對整個電路持續供電，會大量消耗電池電量。針對這個問題，可以在電阻串聯分壓電路中串聯一個 NMOS 管，當無需檢測電池電壓時，主控輸出低電平使NMOS 斷開，減少電池的損耗 [9]。

2.7 LCD 顯示屏

指紋錄入、刪除、驗證以及門禁開啟等信息顯示在LCD12864 屏幕上 [10]。普通的 LCD12864 顯示屏接口太多，不僅接線麻煩而且接口太多會占用主控制器的引腳。因此本系統采用 I2C 接口顯示屏。I2C 接口顯示屏加上電源線總共四根線即可實現數據通信。該顯示屏的主控芯片是 ST7920，它是一款 COB(芯片直接貼裝技術)液晶顯示屏，內部有GB2312 中文字庫。要顯示中文只需要利用中文字庫內碼提取軟件提取出內碼即可。該顯示屏不僅方便顯示中文，也可以顯示 BIN 格式圖片，只需要將預先做好的圖片配合相應的下載工具將其存儲到顯示屏上，再通過主控程序控制就可以成功顯示。

顯示屏有 8 個引腳，只要連接其中 5 個引腳就可通信。5 個引腳分別是 GND、VDD、SCL、SDA、BUSY。其中，GND、VDD 為電源 ;SCL 為 I2C 時鐘信號線 ;SDA 為 I2C數據信號線 ;BUSY 為忙信號，高電平為忙，低電平為閑。顯示屏的 SCL 與主控 Mega2560 Pro 的 D21(SCL)引腳連接 ;顯示屏的 SDA 與主控 Mega2560 Pro 的 D22(SDA)引腳連接 ;BUSY 與主控的 D34 引腳連接。

3 程序設計

系統初始化后，首先進行指紋錄入。當有人將手指放置在指紋識別模塊玻璃板上時，指紋識別模塊開始采集當前指紋并進行對比 ;經過對比，如果是之前已經存儲的指紋則繼電器通電吸合，打開電磁鎖，打開門禁之后語音播報“門禁已開啟”，同時顯示屏上顯示門禁開啟信息。驗證成功的指紋 ID 號通過 NB-IoT 傳輸到物聯網平臺(點燈科技);管理人員可登錄平臺或者 APP 查看門禁開啟信息。當無權限的人需要進入時，管理人員可通過平臺遠程控制解鎖，也可通過管理人員告知的臨時授權碼進入。系統主程序流程如圖 3 所示。

4 結 語

本文設計的機房智能門禁通過光學指紋識別模塊實現身份識別。利用 LCD 顯示屏和語音播報模塊實現了友好的人機交互界面。利用 NB-IoT 模塊實現了遠程監測和控制。當無權限的人需要進入機房時，管理人員可通過平臺或 APP進行遠程控制。系統內置一塊可充電電池，可解決因停電管理人員無法進入機房檢查的問題。系統與傳統的機械式門禁相比提高了安全性、可靠性，也提高了校園的智能化水平。

審核編輯：湯梓紅