基于身份识别的交互性智能无人变电站门禁系统研制

国网江西省电力有限公司九江供电分公司 曹 怡 胡晓斌 徐 波 黄 翔 余 斐 刘新伟 柳 华 胡怡沛 叶 莎

针对目前变电站常规锁存在的许多弊端，本文设计了一个基于IC卡的身份识别及登记装置、管理着“明码与暗码”的控制装置、通过明码检索暗码的电子钥匙管理系统和物理锁组成的交互性智能变电站门禁系统。该系统通过“明码与暗码”的控制装置和“非联网型”电子钥匙管理系统的手机APP软件相互配合，可以实现运维人员“随时随地”远程许可变电站工作人员开门，节省公司的人力、物力和财力。此外，本系统采用电子钥匙和物理钥匙两种方式开锁，在电子钥匙出现故障的紧急情况下，可使用物理钥匙开锁，这极大地提高了开锁的可靠性。并且变电站管理机及后台机能实时监控该门禁系统的刷卡信息和运行状态，以便于维护和检修。本文所设计的门禁系统现已实现，且达到预期效果。

0 引言

本文专门针对无人值守变电站研发的一款互动性智能门禁系统，与九江市裕丰维操站合作并试点运行，裕丰维操站目前管理着包括220kV裕丰变电站在内的10多个无人值守变电站。变电站常规锁存在的一些弊端：变电站存在许多不需要运维人员到达现场的工作，然而运维人员必须到变电站只为工作人员开门，浪费了公司的人力、物力和财力，特别是目前每个维操站的值班人员仅仅只有4-5人左右，工作压力较大；维操站管理的变电站钥匙过多，不便于管理，易丢失，运维人员需浪费大量的时间寻找；变电站大门、高压室和主控室“一匙通”存在借用频繁，钥匙容易丢失及责任无法追究等风险；常规锁无法对其运行状态进行实时监控（陈丹.公寓智能门锁管理系统的设计及实现[D].北京:中国科学院大学,2016）。本文设计的变电站门禁系统针对上述弊端的解决方案如下：运维人员可以远程“随时随地”许可工作人员开门，不仅能避免运维人员来回奔跑，而且工作人员也能更高效地工作；变电站门禁系统采用“电子钥匙”进行开锁，避免了钥匙管理混乱，节约找钥匙的时间（马园园.人脸识别技术与考勤系统应用研究[D].南京:南京邮电大学,2017;郜幔幔,欧阳森,王克英.变电站空调和照明系统节电改造优化建模研究[J].电工电能新技术,2016,35(09):60-66;沈瑜,岳园园,张一戈,等.智能用电技术路线图规划与技术评估跟踪管理[J].电工电能新技术,2016,35(03):54-61.）；变电站门禁系统基于公司饭卡的IC卡（存储姓名、编号及部门等信息）对进入变电站工作人员进行身份识别及登记，以便责任可追究（马祥,黄冬林,李贻,等.基于51单片机的非接触式lC门禁卡设计[J].电子世界,2017,18:102-103）；变电站门禁系统运行状态能实时被监控，如发生故障可及时对其进行维护与更换（徐生.基于微信硬件平台的酒店只能门锁系统的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2017）。

1 变电站门禁系统组成及通信网络

1.1 变电站门禁系统组成部分

变电站门禁系统主要分为身份识别及登记装置、控制装置、电子钥匙管理系统和物理锁四大模块（黄兢辉.智能监控与智能门禁安防系统构建[D].南宁:广西大学,2017;K.U.Maheswari and J.K.Chaithanya,An ARM based Door Phone Embedded System for Voice and Face Identification and Verification by Open CV and Qt GUI Framework,International Journal of Computer Applications(0975-8887),vol.91,no.13,April 2014;姚伟伟,姚玲,解振永.基于TCP/IP的智能门禁控制系统的研究与设计[J].电脑知识与技,2017,13(30):176-177），组成部分如图1所示，实物图如图2所示。工作人员进行身份识别及登记后，再通过控制装置执行运维人员的指令，利用电子钥匙(运维人员提供暗码作为电子钥匙)进行开门。

图1 变电站门禁系统组成部分

图2 变电站门禁系统实物图

1.2 变电站门禁系统通信网络

变电站门禁系统通信网络以裕丰维操站例，如图3所示。裕丰变电站每个区域的门禁系统（大门、主控室、继保室等）通过485协议通信将变电站工作人员刷卡情况上至本地门禁系管理机和维操站门禁系统管理机中，并且运维人员可以在维操站门禁系统管理机上远程控制变电站每个区域门禁系统（黄辉,喻强,陈翰,等.终端通信通入网网络资源分配策略研究[J].电子器件,2017,02(40):425-429）。裕丰维操站管理的其它无人值守变电站与裕丰变电站门禁系统通信网络类似，就不一一说明。

2 变电站门禁系统主要内容

2.1 身份识别及登记装置

可采用人脸识别、指纹识别装置进行身份识别及登记，这也是目前市场上普遍采用的身份识别及登记装置。但该身份识别及登记装置成本较高，本文采用公司员工的IC卡进行身份识别及登记装置，如图4所示。IC卡储存着员工的基本信息（姓名、所属部门等），最关键的是不需要技术人员经常到变电站现场更新其数据，这样大大降低了装置成本。该IC卡身份识别及登记装置为某公司的现成品，刷卡登记的数据可以选择利用485串口协议与变电站管理主机连接，实时监控变电站每个门禁刷卡的情况；也可以选择采用SD卡存储每个门禁刷卡的信息，这样比较麻烦，但成本会相对减小。

图3 裕丰维操站门禁系统通信网络

图4 身份识别及登记装置

2.2 控制装置

2.2.1 控制装置简介

本系统的控制装置主要是STM32或51单片机芯片对其进行控制（马巧梅.基于STC89C52的智能门禁系统的设计[J].机械制与自动化,2017,46(05):235-238;Chi-Huang Hung,Ying-Wen Bai,Je-Hong Ren,Design and Implementation of a Door Lock Control Based on a Near Field Communication of a Smartphone,978-1-4799-8745-0/15/31.00,2015 IEEE），管理着一一对应的“明码与暗码”，这也是本系统核心部分，如图5所示。该控制装置的控制开门流程如下：工作人员在变电站门口进行身份识别及登记后，控制装置上会随机地显示四位数字的明码，工作人员通过社交软件（电话、微信等）将显示出的明码发送给运维人员；运维人员通过“电子钥匙管理系统”（一款非联网型的手机APP软件），将四位数字的明码输入，则相应的电子钥匙（四位数字的暗码）就会显示出来，并将暗码发送给工作人员，工作人员在控制装置上输入正确的暗码，即可开锁。

图5 控制装置实物图

开锁后1min钟之内工作人员必须进入变电站，否则门重新关闭，这样可以防止非工作人员偷偷潜入，给变电站正常运行造成不确定的因素。工作人员进行身份识别及登记后，10min之内必须输入正确的暗码，否则需重新进行身份识别及登记，主要目的是节约电和避免非许可人员乱按键解锁。工作人员在输入正确的暗码后，8h内不必再次让运维人员许可开门，只需进行身份识别及登记，和输入第一次的暗码既可开锁，目的主要是避免工作人员出去吃饭，回来还需要再次许可开门，造成不必要的麻烦。

2.2.2 控制装置原理

控制装置的原理图如图6所示。该控制装置的电源采用交流馈线屏1引入220V交流电，经过AC/DC整流模块变换为12V的直流电，分为三路：一路给身份识别及登记装置供电，一路给物理锁供电，最后一路经DC/DC直流模块变换为5V的直流电给控制装置供电。为了保证当交流失电的情况下该控制装置还能持续运行10h以上，于是在12V的直流电之间并联了一组12V的锂电池。P0.0与P0.1作为身份识别输入管脚，两者互为备用，增加身份识别的可靠性；P0.2、P0.3和P0.4作为138译码器的输入管脚，控制数码管的8位公共脚，P1输出数码管需要显示的数值；P0.5和P3.1作为电子钥匙输出管脚，且两者互为电子钥匙的备用输出管脚，增加开锁的可靠性，通过控制KSJ1和KSJ2继电器的通断来控制物理锁的开启，同时P3.0作为电子钥匙的输出指示灯管脚；P0.7为物理锁开启状态输入管脚，同时P0.6为物理锁开启状态的输出指示灯管脚；P3.2为装置异常的输出管脚，同时P3.3为装置异常的输出指示灯管脚；P2为16位矩阵按键的管脚，可通过其输入四位数字的暗码。

图6 控制装置原理图

2.2.3 门禁系统遥信回路

门禁系统的遥信回路如图7所示。将门禁的信号（直流电源消失、交流电源消失、开锁回路启动等）以硬接点的方式接到变电站公共测控屏遥信端子上，通过后台机来监控其运行状态，便于维护与检修。也可以在变电站设一个单独测控装置，专门监控变电站每个区域的门禁系统的运行情况。

图7 门禁系统遥信回路

2.3 电子钥匙管理系统

本系统设计了一款手机APP软件对“电子钥匙”进行管理，运维人员利用这款手机APP软件通过输入明码查找暗码，从而对进入变电站的工作人员进行远程许可(通过电话发送暗码)开锁。该电子钥匙管理系统分为两部分：一部分是管理区，可以修改或增加明码对应的暗码，每个维操站都配备对应不同的明码与暗码，如图8所示；另一部分为用户区，分为账户登入界面和明码检索暗码界面，如图9所示。

图8 电子钥匙管理系统管理区

图9 电子钥匙管理系统用户区

3 试验结果

变电站门禁系统的开门演示如下：工作人员到变电站身份识别及登记后，控制装置会随机地显示5110的明码，如图10所示，再通过电话联系运维人员，并告诉其显示四位数字的明码；运维人员则登入自己的“电子钥匙管理系统”的账号及密码，并在电子钥匙管理系统“搜索界面”寻找四位数字的明码对应的暗码，如图11所示，运维人员通过电话联系工作人员，并告诉搜索的四位数字的暗码；工作人员在控制装置上输入明码对应的7001暗码，即可开锁，同时点亮左边的led灯，如图12所示。

图10 控制装置显示的明码

图11 明码对应的暗码

图12 控制装置显示的明码对应的暗码

4 结论

4.1 项目成效与应用前景

(1)本系统的使用在一定程度上缓解了目前任务多、运维人员不够的难题，避免了在人力、物力和财力上不必要的浪费。可以电话许可等不需要运维人员到现场的工作任务，运维人员可以远程“随时随地”许可工作人员开门，避免了工作人员的等待时间，提高了工作效率。

(2)变电站管理机通过485串口能实时监控变电站每个区域的门禁系统刷卡情况，达到对进入变电站工作人员的有效监控。并且将门禁系统的运行状态(装置异常、装置失电、开锁回路启动等)以硬接点的方式接到变电站公共测控屏遥信端子上，通过后台机来监控其运行状态，便于维护与检修。

(3)本系统可以根据变电站每个区域不同的要求，设计不同的功能，这样可以节约成本，使其更加高效地工作。例如，变电站主控室的门禁系统相比大门的门禁系统并不需要“运维人员许可”这项功能，从而可以减少许多不必要的元器件，工作人员可以直接刷IC卡进行身份识别及登记进入。

(4)电子钥匙管理系统的使用，避免了变电站的钥匙管理混乱，“一匙通”借用频繁、丢失等问题。

(5)本系统采用电子钥匙和物理钥匙两种方式开锁，在电子钥匙出现故障的紧急情况下，可使用物理钥匙开锁，这极大地提高了开锁的可靠性。

目前与裕丰220kV变电站进行合作，逐步更换变电站的门禁（包括大门、主控室和高压室等），最终目标是更换整个江西变电站、乃至全国变电站的常规锁。该交互性智能变电站门禁系统相比常规锁增加了投资成本，但可以使变电站更加智能、安全可靠，管理更加方便。