梁亞峰 蘇龍

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省成都市 610100）

實(shí)訓(xùn)基地是職業(yè)院校開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的主要教學(xué)場(chǎng)所，是實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)目標(biāo)的重要平臺(tái)[1]，如何優(yōu)化資源配置，提高實(shí)訓(xùn)基地的利用率，管好、用好實(shí)訓(xùn)基地是職業(yè)院校面臨的一大難題。目前，不少國(guó)內(nèi)的高職教育工作者對(duì)實(shí)訓(xùn)基地的管理做了大量的研究，并取得了一定的成果，文獻(xiàn)[1-2]等從管理機(jī)制以及信息化平臺(tái)的設(shè)計(jì)等不同的層面進(jìn)行了有益的探索，但對(duì)于實(shí)訓(xùn)基地管理的網(wǎng)絡(luò)終端沒(méi)有提出具體的解決方案，本文設(shè)計(jì)了一種面向?qū)嵱?xùn)基地管理系統(tǒng)的門(mén)鎖控制網(wǎng)絡(luò)終端，通過(guò)MQTT 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議來(lái)獲取存儲(chǔ)于服務(wù)器的用戶預(yù)約成功的開(kāi)鎖授權(quán)信息，通過(guò)人臉識(shí)別模塊獲取當(dāng)前開(kāi)鎖者是否為當(dāng)前時(shí)間已預(yù)約的用戶，在以上兩種信息一致的情況下，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)基地門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)能夠?qū)?shí)訓(xùn)基地在預(yù)約時(shí)間端內(nèi)是否使用信息發(fā)送至指定的信息化管理平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)基地更加科學(xué)、合理的管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景與總體框架如圖1所示，系統(tǒng)的主要工作流程是已經(jīng)注冊(cè)成功的用戶，首先在信息化管理平臺(tái)進(jìn)行預(yù)約，預(yù)約成功的信息將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至本終端，然后在本終端通過(guò)人臉識(shí)別進(jìn)行身份驗(yàn)證，系統(tǒng)判斷預(yù)約信息中的使用時(shí)間和用戶身份信息與系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前檢測(cè)用戶的身份信息一致時(shí)，將會(huì)通過(guò)繼電器模塊打開(kāi)實(shí)訓(xùn)基地門(mén)鎖，同時(shí)鎖已打開(kāi)的信息將回傳至服務(wù)器，以便于服務(wù)器端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。本文主要介紹門(mén)鎖控制網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，門(mén)鎖控制網(wǎng)絡(luò)終端由主控模塊、Wi-Fi 模塊、人臉識(shí)別模塊、觸控屏模塊、繼電器模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊以及電源管理模塊組成，其中繼電器模塊的功能是將單片機(jī)的I/O 信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)電控鎖的信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的功能是采集實(shí)訓(xùn)基地門(mén)鎖是否上鎖的傳感器信號(hào)。

圖1：系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景與總體框架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控模塊是以小體積、低功耗的單片機(jī)為核心，外加構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。本次設(shè)計(jì)采用以STM32F103RCT6 單片機(jī)為核心的主控電路，該單片機(jī)是基于ARM CortexTM-M3 核心的高性能單片機(jī)，其最高工作頻率可達(dá)72MHz，片上集成了48KB 的RAM 和256 KB 的ROM，3 個(gè)SPI接口、5 個(gè)USART 接口[3]，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 外部存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量的用戶信息，所以需要增加外部存儲(chǔ)，本次設(shè)計(jì)選用了支持SPI 接口的FLASH 存儲(chǔ)器W25X16，存儲(chǔ)容量為16Mbit，傳輸速率最大75MHz，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，其電路圖如圖2所示。

圖2：外部存儲(chǔ)模塊電路

2.3 Wi-Fi模塊電路設(shè)計(jì)

Wi-Fi 模塊選用了基于ESP8266EX 的集成模塊ESP-01S，ESP8266EX 是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，通過(guò)SPI/SDIO 接口或I2C/UART 接口即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，片內(nèi)集成了天線開(kāi)關(guān)、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器和電源管理模塊，占用系統(tǒng)資源少，開(kāi)發(fā)成本低[4]。Wi-Fi 模塊的電路圖如圖3所示，其中GPIO0 用于設(shè)置ESP8266EX 的工作模式，上拉為工作模式，下拉為下載模式，ESP-01S 模塊內(nèi)部已經(jīng)做了上拉處理，在本次設(shè)計(jì)中懸空即可。

圖3：Wi-Fi 模塊電路

2.4 人臉識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別模塊選用了FaceModule210-EV-Board 集成模塊，F(xiàn)aceModule210 是一款工業(yè)級(jí)人臉識(shí)別模塊，該模塊采用雙核64位AI 專用處理器，算力高達(dá)1TOPS。模塊內(nèi)部集成人臉識(shí)別算法，通過(guò)紅外和彩色雙目攝像頭采集人臉數(shù)據(jù)，并由內(nèi)部的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳送給主控制器。本次設(shè)計(jì)中采用STM32F103RCT6 的USART3 與FaceModule210 進(jìn)行通信。

2.5 觸控屏模塊電路設(shè)計(jì)

觸控屏模塊選用了BM1060K070_11C 集成模塊，該模塊采用了基于嵌入式控制系統(tǒng)純硬件驅(qū)動(dòng)顯示解決方案，集成了7 英寸顯示屏和電容觸控組件，分辨率為1024×600，通過(guò)上位機(jī)開(kāi)發(fā)顯示界面，主控模塊僅通過(guò)串口就可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的顯示與觸控信息的采集。本次設(shè)計(jì)中采用STM32F103RCT6 的USART4 與BM1060K070_11C 進(jìn)行通信。

2.6 繼電器模塊

繼電器模塊的功能是控制電控鎖或者電動(dòng)卷簾門(mén)動(dòng)作，目前市面上的絕大多數(shù)電控鎖以及電動(dòng)卷簾門(mén)的控制端都可以通過(guò)常開(kāi)或者常閉的觸點(diǎn)來(lái)控制其動(dòng)作，所以本次設(shè)計(jì)中采用了繼電器的機(jī)械式觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可以適配不同電平標(biāo)準(zhǔn)的電控鎖，繼電器模塊中包含4 組常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)，以適配不同的使用場(chǎng)景。

2.7 信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊電路設(shè)計(jì)

可以檢測(cè)是否上鎖的傳感器有很多種類型，如光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、霍爾式傳感器等，一般是開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出，但是電平標(biāo)準(zhǔn)有不同規(guī)格，主要有DC5V，DC12V，DC24V 等，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同電平標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，本文設(shè)計(jì)了支持PNP 輸出且可以兼容以上三種電平規(guī)格的信號(hào)轉(zhuǎn)化電路，具體電路圖如圖4所示。

圖4：信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括各硬件模塊的參數(shù)配置與控制程序、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)程序以及主程序，參數(shù)配置與控制程序主要包括ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)配置程序、人臉識(shí)別模塊的控制程序、觸控屏的控制程序、外部存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)程序等，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)程序主要包括用戶注冊(cè)與刪除程序、開(kāi)鎖控制程序、關(guān)鎖控制程序等，主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序等，以下重點(diǎn)介紹用戶注冊(cè)程序、開(kāi)鎖控制程序以及主程序的設(shè)計(jì)。

3.1 用戶注冊(cè)程序

用戶注冊(cè)程序在以5 毫秒為周期的中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。用戶注冊(cè)流程如下，首先檢測(cè)觸控屏上的注冊(cè)按鍵是否按下，如果按鍵沒(méi)有按下，則結(jié)束該程序，如果按鍵按下，則讀取擬注冊(cè)用戶在觸控屏上輸入的用戶姓名和工號(hào)信息，并檢測(cè)在一分鐘內(nèi)確認(rèn)鍵是否按下，如果沒(méi)有按下，則系統(tǒng)認(rèn)為超時(shí)而結(jié)束該程序，如果按下，則向人臉識(shí)別模塊發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求并檢測(cè)注冊(cè)結(jié)果，如果注冊(cè)失敗，則在顯示注冊(cè)失敗信息，然后結(jié)束該程序，如果注冊(cè)成功，則將注冊(cè)成功的信息寫(xiě)入到外部存儲(chǔ)器FLASH，并在顯示注冊(cè)成功信息，然后結(jié)束該程序。具體流程圖如圖5所示。

圖5：用戶注冊(cè)程序流程圖

3.2 開(kāi)鎖控制程序

開(kāi)鎖控制程序也在以5 毫秒為周期的中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。程序工作流程如下，首先讀取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間和來(lái)自于服務(wù)器的用戶預(yù)約信息，然后對(duì)比當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否在用戶已經(jīng)預(yù)約開(kāi)鎖的時(shí)間段范圍內(nèi)，如果不在，則結(jié)束該程序，如果在，則讀取人臉識(shí)別模塊信息，如果人臉識(shí)別模塊沒(méi)有用戶發(fā)起開(kāi)鎖請(qǐng)求，則結(jié)束該程序，如果有用戶發(fā)起了開(kāi)鎖請(qǐng)求，則對(duì)比當(dāng)前發(fā)起請(qǐng)求的用戶信息是否與預(yù)約用戶信息相同，如果不相同則結(jié)束該程序，如果相同，則控制繼電器模塊進(jìn)行開(kāi)鎖，然后檢測(cè)鎖是否己打開(kāi)，如果沒(méi)有打開(kāi)，則在觸控屏顯示報(bào)錯(cuò)信息，并將報(bào)錯(cuò)信息上傳至服務(wù)器，如果已經(jīng)打開(kāi)，則在觸控屏顯示門(mén)鎖已打開(kāi)的信息并將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。具體流程圖如圖6所示。

圖6：開(kāi)鎖控制程序流程圖

3.3 主程序

主程序中主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、ESP8266 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、連接MQTT 服務(wù)器、開(kāi)啟以5 毫秒為周期的中斷，然后進(jìn)入while(1)主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷檢測(cè)各個(gè)模塊是否正常工作，如果出現(xiàn)了異常則發(fā)送錯(cuò)誤信息至觸控屏或服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建

本次設(shè)計(jì)的門(mén)鎖控制網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)物如圖7所示。本次測(cè)試需要信息化管理平臺(tái)、MQTT 服務(wù)器以及實(shí)訓(xùn)基地門(mén)鎖。信息化管理平臺(tái)在前期已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成并部署于阿里云服務(wù)器，可以從計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁(yè)端和微信小程序端訪問(wèn)。MQTT 服務(wù)器采用了開(kāi)源的云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)EMQ X，并部署于阿里云服務(wù)器。控制對(duì)象為實(shí)訓(xùn)基地電動(dòng)卷簾門(mén)，該卷簾門(mén)控制端的三個(gè)控制信號(hào)分別為上升、下降和停止，本次測(cè)試中將其連接至本次開(kāi)發(fā)終端的三路繼電器模塊的常開(kāi)觸點(diǎn)，并將電動(dòng)卷簾門(mén)的公共端連接至繼電器的公共端。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程

（1）系統(tǒng)上電測(cè)試各模塊是否工作正常，系統(tǒng)首次使用時(shí)需要為ESP8266 配置網(wǎng)絡(luò)，配置完成后系統(tǒng)正常工作，可以通過(guò)觸控屏的主界面觀察系統(tǒng)是否工作正常。

（2）新用戶注冊(cè)功能測(cè)試，通過(guò)觸控屏的人機(jī)界面提示進(jìn)行新用戶注冊(cè)并查看注冊(cè)結(jié)果。

（3）預(yù)約信息接收測(cè)試，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端或微信小程序端進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室預(yù)約，在觸控屏查看預(yù)約信息是否成功接收。

（4）開(kāi)鎖測(cè)試，在預(yù)約使用的時(shí)間段內(nèi)通過(guò)終端的人臉識(shí)別測(cè)試門(mén)鎖是否可以正常打開(kāi)。

4.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)各模塊均能正常工作，系統(tǒng)各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種面向?qū)嵱?xùn)基地管理系統(tǒng)的門(mén)鎖控制網(wǎng)絡(luò)終端，能夠根據(jù)信息化管理平臺(tái)下發(fā)的實(shí)訓(xùn)基地使用預(yù)約信息和本地人臉識(shí)別信息控制實(shí)訓(xùn)基地門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)，并能夠?qū)?shí)訓(xùn)基地當(dāng)前的使用信息及時(shí)反饋至信息化管理平臺(tái)。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。