开放实验室无线门禁系统与智能电源插座设计

引言

随着高校实验教学改革的逐步深入，开放实验室的管理工作变得更加繁重、复杂且更具挑战性。实现开放实验室的智能化管理，可以减轻实验室管理人员的工作负担，提供工作效率和服务水平，加强实验室主管部门对设备和材料的计划、采购、维修和使用的宏观控制和管理。传统的开放实验室信息管理系统，为实现开放教学的便利和安全，加强了对实验室门禁的智能化控制和管理，这就使得连接控制设备的线路变得复杂。同时，开放实验室增加学生实验的“自由度”，往往会导致学生“分散”到实验室做实验或某一时段同时进入实验室做实验的情况，导致学生和实验室设备使用之间的矛盾。

本文基于RFID和ZigBee技术，设计了一种无线门禁系统与电源智能插座，重点解决开放实验室建设中布线困难以及学生和实验室设备使用之间的矛盾问题，同时，将门禁系统和开放实验室管理有机地结合起来，以实现开放实验室的智能化管理。

1系统组成与功能

本系统的组成框图如图1所示，系统主要由控制中心、无线门禁系统和智能电源插座三部分构成。控制中心由PC机、协调器节点以及相应应用软件组成。协调器通过ZigBee无线传感器网络与门禁系统和电源插座终端节点通信，负责ZigBee无线传感网络的发起、路由维护以及数据的上传、指令的下发等。控制中心的相关指令、信息和数据通过协调器节点无线传输给门禁系统或智能电源插座终端节点，以实现对门禁系统和电源的控制与管理；同时，协调器节点接收门禁系统和电源插座终端节点的感知信息和反馈数据，以便控制中心根据事先设定的程序进行控制。

无线门禁系统由RFID读卡器、门禁系统终端节点和电磁锁等组成。RFID读卡器负责射频卡的读写，门禁系统终端节点将读卡器的识别信息传输给控制中心进行身份认证和开锁条件判别，当满足开锁条件时，LCD显示分配的实验台号和相关信息，同时给电磁锁发出开锁指令。电磁门锁接到开锁指令后开锁，延迟预设时间后自动关闭。门开关检测电路，监测实验室大门的开关状态，当大门超过预设时间，长时间打开时,通过预先设置的程序，给实验室管理员发出报警信号；同时,当实验室大门打开时，可以加装视频监控系统，进行抓拍或录像，以记录实验室人员的进出情况，限于篇幅，本文略去此部分功能的描述。

智能电源插座由电源插座终端节点和实验台电源插座组成，当符合条件的人员进入实验室时，控制中心开启所分配的实验台电源，人员出实验室时再次刷卡关闭电源。智能电源插座设有过流保护电路，当意外触发、违规操作造成电源短路或过载时，系统及时提供报警信息并自动关闭该插座电源，不影响其他人正常进行实验。

2系统硬件设计

限于篇幅，本系统的硬件设计部分略去了直流电源、LCD显示模块和门开关检测电路的设计描述。

2.1协调器和终端节点硬件设计

协调器节点、门禁系统终端节点和智能插座终端节点均以凌阳爱普公司（Sunplussap）的CC2530模块为核心器件构成,其无线射频模块的管脚图如图2所示。其管脚主要包括电源:Vcc（3.3V）,地GND,复位端RSIN（低电平有效），和可编程I/O口:包括P0.0〜p0.7、P1.0~P1.7、P2.0〜P2.2等。

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的第二代片上系统解决方案;它结合了高性能的2.4GHzDSS（直接序列扩频）射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性；集成了一个高性能、低功耗的标准增强型8051CPU内核，用于搭建功能健全、价格低廉的网络节点。CC2530芯片包含21个通用IO口，具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC,2个支持多种串行通信协议的强大USART。USART0和USART1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。

2.2协调器节点设计

协调器节点通过串口与PC机通信，通过CC2530与终端节点通信。其基本组成包括串行通信模块和CC2530模块，串行通信模块的原理电路如图3所示。

串口通信电路的核心器件是SPCP825A，它是USB转UART的单芯片解决方案，集成了一个符合USB1.1标准的全速功能控制器、缓冲器和带有调制解调器接口信号的异步串行数据总线（适用于RS-232协议），同时具有一个集成的内部时钟和USB收发器，无需其他外部USB电路元件。

本文通过CC2530的P0.2和P0.3分别与SPCP825A的TXD和RXD连接，以实现串口通信。

2.3门禁系统终端节点设计

门禁系统终端节点由RFID模块和CC2530模块组成，电路图如图4所示。其中,RFID模块采用MF522-AN读卡模块,其管脚功能如下：

SS:从机标志管脚；SCK:SPI串行时钟输入；MOSI:SPI主出从入；MISO:SPI主进从出；NCC:空脚；GND:地；RST:复位；Vcc:+3.3V电源。

该模块以MFRC522为核心器件，集成了13.56MHz所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443A的多层应用，其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443A/MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分包括调制和解码电路，用于处理ISO1443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶&CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFAER系列产品。MFRC522支持MIFARE更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424Kb/s。复位上电以后,在默认情况下，CC2530的配置为SPI主模式，不需要额外修改配置，SPI总线为上升沿触发。

构成本门禁系统终端节点时，MF522-AN模块的接口SS、SCK、MOSI、MISO、RST分别与CC2530管脚P1.7、P0.1、P1.2、P0.4、P0.5连接。

采用RM-280型电磁锁，外接+12V电源即可开锁。采用SRD-05VDC-SL-C固态继电器进行电源开关控制，其信号输入端与CC2530的P0.6连接，当门禁系统终端节点接收到开锁指令时，P0.6输出高电平，固态继电器常开节点闭合，电磁锁接通电源开锁。

2.4电源插座终端节点设计

电源插座终端节点由CC2530模块、LG-ETCAC10AK型过流保护模块和SRD-05VDC-SL-C型固态继电器组成，如图5所示。

正常工作时，AC220V通过流保护模块继电器的常闭节

点接入固态继电器的公共端，固态继电器的控制输入端（IN）与CC2530模块的P1.4连接，当P1.4为高电平时，固态继电器常开节点闭合，电源插座输出220V交流电。当工作电流大于设定阈值时，过流保护模块的继电器连接AC220V的常闭节点将自动断开，从而实现过流保护；当工作电流恢复到设定阈值以下时，继电器常闭节点闭合，恢复正常供电。

3系统软件设计

限于篇幅，软件设计部分本文只针对协调器节点、门禁系统终端节点和电源插座终端节点进行软件设计，而略去应用系统的软件设计。

3.1协调器节点软件设计

协调器节点的软件流程图如图6所示。首先，协调器节点初始化，组建ZigBee网络，为数据的发送和接收构建立无线通信环境；第二步，等待事件任务发生，检查是否收到终端节点数据或者控制中心指令；第三步，将收到的终端节点的数据转发给控制中心，或者将控制中心的指令转发给终端节点。

3.2门禁系统终端节点软件设计

门禁系统终端节点软件流程图如图7所示。

首先，门禁系统终端节点完成初始化，并加入协调器节点发起的ZigBee网络,为数据的发送和接收建立无线通信环境;第二步，等待接收RFID的读卡数据或控制中心的指令。若是RFID的读卡数据，则将数据通过协调器节点发送给控制中心；若是控制中心的指令，则判断是开锁还是闭锁指令，若是闭锁指令，则关闭电磁锁，并通过LCD显示相应提示信息；若是开锁指令，则打开电磁锁，并显示相应的提示信息；第三步,当处于开锁状态时，监测实验室大门的开关状态，当大门超过预设时间，给实验室管理员发出报警信号，并将报警信息发送给控制中心。

控制中心设有数据库，负责数据库的建立、删除、查询和维护。当收到门禁系统终端节点的识别信息时，将其与数据库的数据进行比照，进行身份认证，若认证通过，并且符合开门的预设条件（如实验台空闲、设备工作正常等），则发送开锁指令和相应的提示信息；否则，发送闭锁指令和相应的提示信息。同时，可以通过记录实验台电源的开启与关闭时间，自动统计设备的使用时间，计算设备的利用率等。

3.3电源插座终端节点软件设计

电源插座终端节点软件流程图如图8所示。首先，电源插座终端节点完成初始化，使其处于断电状态，并加入协调器节点发起的ZigBee网络，为数据的发送和接收建立无线通信环境。第二步，等待接收控制中心的指令，若接收到上电指令,电源插座终端节点控制插座上电。当意外触发、违规操作造成电源短路或过载时，插座终端节点自动关闭该插座电源，提供过流保护，发出报警信号；同时，将过流状态信息发送给控制中心。若接收到断电指令，则断开插座电源。

4系统调试

将软件编写完成以后，可下载到协调器节点、门禁系统终端节点和电源插座终端节点，然后进行测试:

RFID读卡器能够正确读卡，且能够将读卡数据传输给协调器节点；协调器节点可以转发读卡数据给控制中心,同时，能够接收控制中心的控制指令和相关信息，将其发送给门禁终端节点；

门禁系统终端节点接收到控制中心的开/闭锁指令和相关信息，可以控制电磁锁的打开/关闭，并通过LCD显示相关的提示信息;

门禁终端节点可以检测门的开关状态，当电磁锁处于开锁状态，且门打开时间超过预设时间时，可以发出报警,并将报警信息发送给协调器节点，再由协调器节点转发给控制中心；

控制中心给门禁终端节点发出开锁指令时，同时给指定编号的电源插座终端节点发出上电指令。对应的电源插座终端节点接收到上电指令，能够接通电源；若电路出现过流，插座可以自动断电，且可以将对应的电源插座编号和过流信息发送给控制中心；

控制中心给指定编号的电源插座终端节点发出断电指令时，对应的电源插座终端节点能够正确接收指令，并关断电源。

5结语

本文介绍了针对高校开放实验室的无线门禁系统与智能电源插座的硬件设计以及软件设计过程。通过RFID和ZigBee技术，本系统可以满足开放实验室智能化管理的基本硬件系统要求。当然，本系统需要与具体的应用程序配合才能在管理系统中最大限度地发挥其作用，限于篇幅，系统的应用软件设计将另外撰文进行介绍。

本门禁系统终端节点与电源插座终端节点均采用ZigBee技术，可以很方便地与其它智能感知节点(如温湿度、烟雾、雨滴等感知节点)结合，并利用物联网技术，实现开放实验室的智慧化管理。

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