智能签到门控制系统设计

时间：2024-05-04

田孟，纪利琴

（安徽新华学院智能制造学院，安徽合肥，230088）

0 引言

随着我国高等教育的飞速发展，在校大学生的人数越来越多，这些给高等学校学生管理工作增加了巨大的压力。对一些上课迟到、早退、夜不归宿、晚归等不良现象，无法很好地管理与禁止。本控制器即是针对这些不良现象，为了能够方便、快捷、智能地辅助学校的学生管理人员加强学生管理，特设计了一种智能签到门控制系统。

本智能签到门控制系统的基本原理是：系统设置上位机和下位机，其中下位机是以单片机为核心的控制器，完成学生IC 卡读卡、IC 卡识别、控制门锁的打开与关闭[1]。同时为防止学生只刷卡不进入等现象，门框两边设有对射式激光传感器，检测人员通过情况并记录通行信息。上位机是可以上网的微机，负责与下位机通信，采集、记录下位机学生通行信息，并负责通过网络发至学校相关学生管理人员，辅助完成对学生的上课、宿舍等管理工作。

本系统上位机有现有的系统，本文主要描述下位机的设计。

1 系统整体组成框图

本系统组成框图见图1，系统由上位机、下位机组成。下位机由STM32F103C8T6 控制器及最小系统电路、舵机控制电路、读RFID 卡模块、IC 卡、对射式光电传感器电路、WIFI 通信模块。上位机由微机组成，设置有WIFI 接收模块、网络通信系统以及专门的学生管理系统软件[2]。

图1 系统硬件框图

（1）STM32F103C8T6 控制器及最小系统电路：下位机控制的核心部分，负责读取学生IC 卡信息，采集学生通过情况，控制舵机控制电路，从而控制开关门。

（2）舵机控制电路：控制门的开与关。

（3）读RFID 卡模块：读取学生IC 卡信息的装置。

（4）IC 卡：储存学生通过宿舍门或教室门的身份信息。

（5）对射式光电传感器电路:检测人员通过情况。

（6）WIFI 通信模块:负责与上位机通信，数据为发送端。

（7）上位机：上位机是一台微机。上位机的WIFI 接收模块负责与下位机通信，采集IC 卡以及人员通过信息；上位机的学生信息管理系统负责采集、分析、处理学生信息，通过有线网络将学生信息存储到服务端，管理人员或学生可以通过电脑或手机客户端APP 请求服务端，将需要的信息展现在客户端上，了解学生宿舍晚归、上课迟到、旷课等信息，加强学生管理。

2 控制芯片及主要硬件电路设计

■2.1 控制芯片

STM32F103C8T6 是一款基于ARMCortex-M 内核的32位微处理器（见图2），内集成ROM 容量64KB，RAM 容量512KB，主频可达72MHz，工作电压3.3V。该控制器功耗低、接口丰富，成本低廉，完全符合本系统制作要求。

图2 控制芯片图

■2.2 硬件设计

硬件设计包括STM32F103C8T6 最小系统电路、舵机控制电路、RFID 读卡模块RC522 电路、对射式光电传感器电路、WIFI 模块电路组成。

2.2.1 STM32F103C8T6 最小系统电路

最小系统主要有电源、晶振、复位电路组成。

(1)电源电路系统采用5V 稳压源供电，控制器电源电路由LDO(Low Dropout Regulator)低压差线性稳压器将5V 转换为3.3V，具体见图3。

图3 电源电路图

(2)晶振电路晶振电路是用来给控制器芯片提供时钟信号，电路见图4。Y1 为晶振，频率为72MHz，OSC OUT、OSC IN 为控制器引脚。

图4 晶振电路图

(3)复位电路控制器复位信号为低电平有效，复位电路给控制器提供复位信号。电路见图5 所示。系统上电时，电容C7 使NRST 引脚为低电平，完成上电复位；正常工作时，按下SW 按键，NRST 引脚被拉低，产生外部复位。

图5 复位电路图

2.2.2 舵机控制电路

舵机控制电路是集成控制电路、马达、减速器（齿轮组、电位器）等于一体的（见图6），并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。该舵机控制电路能够利用简单的输入信号比较精确的控制转动给定角度的电机系统。

图6 舵机控制电路

舵机控制信号，一般是脉宽调制（PWM）信号，如图7 所示，直观反映了PWM 信号和舵机转动角度的关系。通过给舵机通电的时间控制，结合角度传感器的反馈信号检测和控制，实现了舵机的精确角度控制。

图7 舵机控制信号

2.2.3 RFID 读卡模块RC522 电路

RFID 读卡模块基本原理是读卡器发射一组固定频率的电磁波，IC 卡片内有一个LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。该发射电路的核心器件是RC522 芯片，电路见图8所示。

图8 射频发射/接收电路

2.2.4 对射式光电传感器

对射式光电传感器由一个发光器和一个收光器组成的光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测人通过路径的两侧，检测人通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号给控制器。其工作示意图见图9。

图9 光电传感器工作示意图

2.2.5 WIFI 模块电路

WIFI 发射、接收电路相同，见图10。当发射数据时，需将nRF24L01 配置为发射模式，接着把接收节点地址和有效数据按照时序写入nRF24L01 缓存区即可，nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。

图10 WIFI 模块电路

3 下位机软件设计

下位机的主要功能包括读取IC 卡信息、采集光电传感器信息、发射WIFI 信息、控制开关门。由于这些信息均是在有IC 卡信息读取时（表示有人通过）发生的，因此在软件处理时均将其放在读取IC 中断处理程序中。

IC 卡中断处理程序见图11。进入中断后，首先读取IC卡信息，并识别判断，若为有效卡信息，则启动光电传感器，并读取人员通过信息，有人通过，则控制教室或宿舍门开启，否则不启动，在有人员通过并开启门的情况下，启动WIFI 发送，将信息上传上位机，接着中断返回。

图11 软件流程图

4 上位机及客户终端功能简述

上位机主要负责通过WIFI 采集学生信息和人员通过信息，在学生信息管理系统中汇总、处理、分析、统计，并存储到服务端供查询、管理等[3]。

手机/电脑客户端主要完成以下功能：

（1）显示学生上课签到、签退时间以及签到学生信息等。

（2）显示学生宿舍出、入时间，以及学生的信息。

（3）记录、保存、汇总各个学生的上课、宿舍归宿情况，方便管理人员的查看。

5 调试与功能验证

按照以上的硬件及软件设计，完成了下位机的整体设计。为了进一步验证系统功能，按照设计制作了一套实物，并开展系统的实际功能测试，当下位机设置在教室门口，在学生刷了IC 卡后，学生查询到的上课到课情况如图12 所示；当下位机设置在宿舍门口时，在学生刷了IC 卡后，学生查询到的归宿情况如图13 所示。学校的学生管理人员也可以登录系统，查询到学生的相关情况，可以有效协助学生管理人员加强学生管理。

图12 学生上课到课情况图

图13 学生归宿情况图