2 Исследование системы учета посещаемости
Необходимость в большей безопасности ощущалась еще 4000 лет назад. Человек начал сооружать примитивные устройства блокировки, которые и заложили основу для развития в течении сорока веков того что мы имеем сейчас — дверные замки.
В древности замки для дверей были большого размера и очень примитивные, но сам принцип их работы используется и сейчас. Они изготавливались из подручного материала: камыш, волокна, дерево и позднее из металла. Неизвестно, когда оригинальный механизм, который может быть справедливо охарактеризованы как замок был действительно создан. Первый дверной ключ который был деревянный нашли в гробнице фараона Рамсеса второго. Ученые предполагают, что первые деревянные замки для дверей появились у нескольких народов одновременно. Принцип их работы был основан на том, что подвижные штыри под собственным весом опускались, запирая входную дверь и открывались специальным ключом с выступами и зубцами.
В современном мире совершается переход от обычного механизма открытия дверей к различным автоматизированным системам с идентификацией личности человека.
2.1 Кодовые замки
Кодовый замок представляет собой запирающее устройство, отпирающееся не ключом, а особой комбинацией из цифр. Код может выставляться на цилиндре либо набираться с клавиатуры. Кодовые замки долговечны и работают в любых погодных условиях.
Достоинства:
– Удобство. Нет необходимости использовать ключ, поэтому не возникнет неприятной ситуации, когда он теряется. С другой стороны – если забыть правильную комбинацию, то это повлечет за собой определенные трудности;
– Надежность. Устройства с кодом, хорошо работают в условиях повышенных нагрузок, например, такие механизмы часто ставят на подъездные двери;
– Безопасность. Нет возможности открыть замок при помощи отмычки.
Недостатки:
– У механических моделей легко подобрать код;
– Если зимой под кнопки попадет влага – они могут примерзнуть;
– Если используется электронная система, то это потребует подвода электричества.
Помимо различий в самом механизме, разные модели, могут отличаться типом устанавливаемых панелей. Их существует два вида:
– Кнопочная;
– Оптическая.
Кнопочные – это наиболее распространенный вариант. Ввод секретной комбинации, осуществляется через табло с обычными кнопками. Чаще всего, они изготавливаются из металла или пластика.
Оптические панели основаны на использовании инфракрасных лучей. Они могут обеспечить высокую безопасность для помещений. Однако, они не рекомендуются к использованию в местах с высокой проходимостью.
Виды кодовых замков:
– Механические;
– Электромеханические;
– Электронные.
2.1.1 Механический тип замков
Механический тип замков отличаются простотой использования и доступностью. Для его открытия достаточно нажать комбинацию установленных кнопок. Изнутри данное устройство открывается задвижкой. Вместо ригелей, замок оснащен небольшой защелкой.
Основные достоинства:
– низкая стоимость;
– простая установка кодового замка;
– надежность;
– простая конструкция;
– не нужен ключ;
– хорошо работают при отрицательных температурах.
Недостатки:
– при минусовой температуре, кнопки могут примерзнуть к панели;
– чтобы поменять комбинацию открывания, придется снимать замок с двери;
– довольно легко подобрать код, особенно после длительного использования – кнопки быстро затираются;
На рисунке 2.1 представлена механическая модель замка
Рисунок 2.1 – Механическая модель замка
Таким образом, механический замок это самое бюджетное решение, которое обладает рядом существенных недостатков. Впрочем, они компенсируются невысокой стоимостью устройства.
2.1.2 Электромеханический тип замков
Электромеханический тип замков отличаются высокой надежностью и долговечностью работы, которые не может обеспечить механический механизм. По сути, это комбинированный вариант, который сочетает в себе механическую и электрическую части. Однако нужно учитывать, что для его работы потребуется электричество. Обычно, такие замки можно открыть при помощи ключа – это необходимо на случай отключения электричества. Также, некоторые модели оснащаются магнитными ключами – этот вид часто ставится на подъездные двери, используется на входных каликах и воротах.
Основные достоинства:
– высокая надежность;
– тяжело подобрать код;
– может работать в тяжелых погодных условиях;
– легко настраивается.
Недостатки:
– высокая стоимость;
– установку должен делать специалист, хорошо разбирающийся в системе.
На рисунке 2.2 представлена электромеханическая модель замка
Рисунок 2.2 – Электромеханическая модель замка
Таким образом, электромеханические устройства могут обеспечить высокий уровень надежности. Однако их стоимость довольно высокая.
2.1.3 Электронный тип замков
Электронный тип замков это самый современный вид замочных механизмов. Их работа основана на использовании электронного программируемого блока управления. А в качестве запорного механизма, обычно выступает магнитный элемент.
Достоинства:
– обеспечивает высокий уровень безопасности;
– надежен в работе;
– удобен в использовании;
– есть несколько способов открывания – можно использовать панель ввода или магнитный ключ.
Недостатки:
– высокая стоимость;
– для работы требуется электричество;
– это довольно сложная система, поэтому для правильной установки, нужно хорошо в ней разбираться.
На рисунке 2.3 представлена электронная модель замка
Рисунок 2.3 – Электронная модель замка
2.2 Биометрические замки
У каждого человека есть своя собственная информация, которая закодирована в ДНК. Причем информация эта абсолютно разная у всех людей, нет на свете людей, у которых имеется одинаковое ДНК. Таким образом, можно использовать любую уникальную информацию человека для определения его прав, то есть можно благодаря биометрическому замку открывать двери только одному единственному человеку и никому более. Механизм биометрического замка анализирует узор отпечатка пальца человека, с той базой, которая имеется у него в памяти.
Преимущества биометрических запорных устройств:
– Высокая степень секретности. Изделие практически невозможно взломать способом подбора, характерным для ключевого или кодового замка. Дублирование чужого отпечатка пальца с целью взлома биометрии практически нереально;
– Взломоустойчивость. Антивандальная защита механической части намного выше, чем у обычного ключевого запора. В корпусе замка нет отверстий для проникновения отмычек или иных механических устройств;
– Защита от воздействий влаги: внешние накладки замка герметичны, установка на уличной двери совершенно безопасна для механизма;
– Из этого пункта следует устойчивость к морозам. Раз нет попадания воды внутрь, значит, механизм не может быть заблокирован льдом;
– У навесного биометрического замка никогда не замерзнет личинка;
– Удобство использования: в большинстве конструкций достаточно просто приложить палец к окошку сканера;
– Возможность обеспечить доступ к запорному устройству большого количества пользователей без изготовления дополнительных копий ключа. Это удобно для большой семьи или коллектива офисных работников;
– Дополнительная функция предыдущего раздела — можно оперативно исключить доступ выбранного пользователя без необходимости изъятия ключа;
– Исключена ситуация «забыл или потерял ключ». Устройство доступа (палец) всегда с собой;
– Сетевое подключение к единой системе безопасности или сигнализации. В некоторых моделях предусмотрена функция дистанционного управления (например, в системах «умный дом»);
– Опция оповещения при открывании двери. Помимо дополнительного контроля безопасности, можно организовать персонифицированный учет прохождения сотрудников в определенное помещение. Например, для учета посещаемости рабочего времени;
– Возможность скрытого монтажа;
– Комбинированная защита: вместе с биометрикой может использоваться кодовый набор и обычный механический ключ.
Недостатки биометрических замков:
– Для работы подобного запорного устройства требуется электропитание, что несколько ограничивает автономность.
– Не исключена возможность электронного взлома, особенно для систем, включенных в единую сеть безопасности. Запорные устройства с дистанционным управлением так же подвержены риску проникновения извне.
– Требуется поддержание экрана сканирования в чистоте, для исключения ошибок в идентификации.
– Возможны ошибки сканирования при повреждении подушечки пальца или загрязнений на коже.
2.3 Электронный замок с картой
Электронный замок с картой — система позволяющая открывать дверь магнитным чипом или магнитной карточкой, путем поднесения к считывателю. современное решение для обеспечения доступа в офис только сотрудникам компании. Электронные замки с картой широко применяются в жилых домах, различных учебно-административных учреждениях. Широкое применение нашли в гостиницах, отелях. Монтаж электронного замка может проводится на любой тип двери.
Преимущества электронных замков:
? Электронные замки имеют высокую универсальность и могут быть установлены на двери с любым типом открывания;
? Установка электронных замков выполняется в кратчайшие сроки, так как нет необходимости проводить электромонтажные работы;
? Корпус электронного замка и его механизмы изготавливается из высококачественных материалов;
? Электронные замки с карточками позволяют эффективно организовать разграничение доступа сотрудников и посетителей офиса;
? Процесс программирования офисных замков не имеет сложностей и не требует дополнительного оборудования.
Недостатки электронных замков:
? При неправильной работе электричества и перебоях на линиях сети могут наблюдаться проблемы с открыванием двери или вовсе ее недоступность
? Вероятна потеря магнитной карты или чипа для идентификации;
? Время от времени, необходимо замена аккумулятора.
2.4 Классификация замков с электронной картой
Существует множество физических принципов бесконтактной идентификации объекта (товара), подходящих для целей торговли. Наибольшее распространение получили вариации на электромагнитную тему. Характерный признак таких систем – рамки электромагнитных антенн, перекрывающие проход. Различие проявляется в конструкции меток [5].
2.4.1 Электромагнитные системы
На рисунке 2.4 представлена электромагнитная метка
Рисунок 2.4 – Электромагнитная метка
Метки представляют собой две полоски на бумажной наклейке. Одна из полосок сделана из материала с большим магнитострикционным эффектом. Когда она попадает в переменное магнитное поле, то начинает работать как нелинейный элемент и в магнитном поле появляются гармоники рабочих частот, которые и становятся признаком кражи. Вторая полоска работает как «выключатель» для первой. Она сделана из ферромагнетика — материала, который может быть намагничен, как постоянный магнит. Если полоска намагничена, то она нарушает магнитострикцию первой полоски благодаря эффекту магнитного насыщения материала. Таким образом деактивация метки заключается в её намагничивании. Метку можно повторно активировать размагничиванием. Этот вид меток особо любят клеить на книги — они тонкие, также они удобны в библиотеках: деактивируется при выдаче, реактивируется после возвращения [5].
2.4.2 Акустомагнитные системы
На рисунке 2.5 представлена акустомагнитная метка.
Рисунок 2.5 – Акустомагнитная метка
Устройство этих меток сильно похоже на магнитные, но отличен принцип детектирования метки. Смысл в том, что свободное положение магнитострикционной полоски в пустотелой метке позволяет ей совершать свободные механические колебания под действием магнитного поля. При этом механическая добротность системы на частоте накачки выбирается максимально возможной, и полоска продолжает колебаться некоторое время после снятия накачки. При этом, согласно тому же магнитострикционному эффекту, теперь уже полоска создает переменное магнитное поле, которое и регистрируется системой. Магнитная полоска участвует в механическом резонансе, поэтому эти метки активируются намагничиванием и деактивируются размагничиванием. Поскольку намагничивание должно быть определенным по величине и направлению, то повторная активация таких меток не предусматривается. Система использует рабочую частоту 58 кГц и характеризуется заметно лучшей чувствительностью, чем электромагнитная [5].
2.4.3 Радиочастотные системы
На рисунке 2.6 представлена радиочастотная бумажная метка.
Рисунок 2.6 – Радиочастотная бумажная метка
Метка представляет собой колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора, выполненных из фольги на бумажной основе. Принцип работы основан на измерении добротности колебательного контура стационарной рамки, когда в поле его катушки вносят катушку колебательного контура метки. Деактивация меток этого типа осуществляется электрическим пробоем фольгового конденсатора. Для этого метку вносят в сильное магнитное поле рабочей частоты. Повторно активировать метку этого типа уже невозможно. Метки на бумажной основе легко разрушить (порвать) или обмануть с помощью металлической пластины (например, крупной монеты), прижав её к метке. Поэтому для дорогих вещей метки выпускают в виде крупного и прочного пластикового брелока, закрепляемого многоразовой игольчатой заклепкой или петлей. Такие метки многоразовые, колебательный контур в них сделан качественнее, деактивировать метку вандализмом сложнее и наличие метки может быть определено даже визуально сотрудниками. Метки такого типа часто используются в магазинах одежды и хозтоваров. Обычно системы этого типа используют рабочую частоту 8,2 МГц [5].
2.4.4 Выбора ключа идентификации
Перечисленные метки схожи по принципу работы и своим характеристикам. Выбор меток осуществлялся, руководствуясь распространенностью меток и сложностью коммуникации с выбранным микроконтроллером. Из данных трёх типов меток наиболее распространены радиочастотные метки. Они используются в банковских картах, электронных пропусках, картах проезда в метро. Использование данного типа меток в разрабатываемой системе предоставляет возможность модернизировать какую-либо из этих карт, внеся номер выбранной карты в базу данных. Что касается сложности связывания с микроконтроллером, то радиочастотный идентификатор RC522 является одним из самых популярных считывателей при реализации подобного рода проектов. Это обусловлено следующими факторами:
? Относительно невысокая стоимость;
? Наличие библиотек в среде программирования, что сильно облегчает подключение и эксплуатацию данного датчика;
? Данному датчику необходимо питание 3.3В, что идеально подходит для использования с Arduino-Nano и подобными контроллерами.
2.5 RFID-считыватель
2.5.1 Принцип работы технологии RFID
RFID или технология радиочастотной идентификации – это современная система позиционирования, предназначенная для отслеживания мобильности людей или объектов. В основе платформы лежат программное обеспечение, считывающее устройство и RFID-метки (транспондеры), устанавливаемые на улице или внутри помещений. Идентификация осуществляется при помощи радиосигналов, которые позволяют считывателю определять и записывать данные, сохраняемые в метках.
Метка представляет собой мини-прибор, состоящий из микрочипа для сохранения информации и антенны, которая направляет полученные данные на считывающее устройство. Для защиты чипа и антенны от действия внешней среды применяется оболочка, которая помещается в пластиковый корпус с креплениями к товарам или объектам.
Считыватель бывает ручным или стационарным и может работать с антеннами любых типов. Программное обеспечение включает в себя движок и дополнительные серверные и клиентские модули, которые обеспечивают простое развертывание системы радиочастотной идентификации любой сложности.
2.5.2 Классификация RFID-меток
Метки в системе радиочастотной идентификации имеют широкую классификацию, которая определяет их конфигурацию, назначение и способы применения.
Исходя из источника, обеспечивающего питание, транспондеры бывают следующих видов:
– Активные – оснащаются встроенной батареей, имеют более габаритный размер. Активная RFID метка способна воспроизводить исходящие сигналы более высокого уровня по сравнению с пассивным транспондером и читаться на дистанции до 300 метров;
– Полупассивные – миниатюрные микрочипы со своей батареей. Дальность действия таких устройств определяется чувствительностью считывателя;
– Пассивные – приборы без собственного источника питания, передают информацию путем модуляции отраженных радиосигналов несущей частоты. Высокочастотные метки имеют дальность передачи от одного сантиметра до двух метров, а сверх- и ультравысокочастотные транспондеры в пределах 1–10 метров.
Транспондер может применяться для записи или только для чтения. На это влияет тип памяти, предусмотренной в микрочипе:
– Read Only – данные записываются единожды в процессе изготовления. При эксплуатации пользователь не может добавить на метку еще информации или удалить уже имеющуюся. Такие транспондеры оптимально подходят для идентификации продукции в магазинах;
– Read and Write – допускают неоднократное записывание и чтение. Такие метки применяются, например, для контроля доступа сотрудников в запрещенные зоны или помещения (в виде карт доступа, бейджей и др.);
– Write Once Read Many – информация записывается единожды, но считывать ее можно многократное количество раз. Стирать данные с метки невозможно. Метки такого вида применяются в складской и транспортной логистике.
Технология RFID не ограничивает производителей в форме и исполнении транспондеров. Их могут выпускать в таких формах:
– Наклейки – тонкие стикеры на бумажном или пластиковом основании, на которые может наноситься любая информация по товару;
– Корпусированные метки – изделия в пластиковом или стеклянном корпусе, который защищает чип от загрязнений, действия влаги, случайных падений;
– Этикетки, бирки – схожи с наклейками, могут интегрироваться в объекты чипирования. Часто наносятся на ткань или сам продукт;
– Инлей – имеют полиэтиленовое или пластиковое основание, используются для изготовления банковских или клубных карт, пропусков;
– Специальные транспондеры – выпускаются для решения определенных задач. К примеру, могут иметь саморезы при чипировании деревьев или выполняться в виде браслетов для участников мероприятий либо пациентов некоторых медицинских учреждений.
2.5.3 Cферы применения RFID
Современная система мониторинга RFID применяется в различных сферах. Ее можно использовать как в торговле или промышленности, так и в транспортной или логистической отрасли.
Применение технологии в промышленной сфере обеспечивает автоматизацию управленческих процессов и четкую координацию работы каждого сотрудника. При помощи меток можно выполнять маркировку материалов, сырья, упаковки, транспортных средств, оборудования. Особенно технология востребована в автомобильной промышленности.
В логистической сфере система помогает отслеживать перемещение автомобилей и грузов. Метки удобно использовать при приеме или отгрузке товаров со склада или для контроля технического состояния транспорта, перевозящего продукцию. Многие логистические компании применяют транспондеры в морских контейнерных перевозках. Метки содержат информацию о грузах в контейнерах и позволяют владельцу товара контролировать его перемещение из одного пункта в другой.
RFID оптимально подходит для создания бесконтактных проездных карт в общественном транспорте. Это позволяет усовершенствовать получение платежей с пассажиров и сократить издержки транспортных предприятий. Часто метки используются для автоматизации платных автодорог. С их помощью можно обеспечивать защиту участников дорожного движения от нарушений, отслеживать автомобили с превышением скорости.
В сфере торговли использование RFID решает следующие задачи:
– учет приходных, расходных операций;
– предупреждение краж;
– автоматизация складского учета;
– сбор статистики для анализа;
– определение подделок для вывода из ассортимента.
Метка помещается на каждый продукт и сканируется на кассе во время продажи. Данная информация автоматически направляется в общую базу торговой точки и контролирующие органы, благодаря чему можно избежать больших объемов дополнительной работы.
2.5.4 Преимущества и недостатки технологий RFID
Использование системы слежения RFID позволяет автоматизировать большинство производственных и торговых процессов. С ее внедрением удается улучшить результаты работы предприятия, повысить прибыль и свести к минимуму количество сбоев.
К ключевым преимуществам технологии относят:
– возможность идентификации на внушительных расстояниях – до 300 м;
– нет требований к прямой видимости объектов;
– стойкость к загрязнителям, влажности;
– повышенная безопасность благодаря уникальным алгоритмам шифрования;
– перезапись информации;
– эффективная работа независимо от расположения меток относительно считывающего устройства;
– способность единовременно считывать свыше тысячи RFID-меток в секунду.
Есть у системы и некоторые недостатки. Она является дорогостоящей, отличается неполной открытостью разработанных стандартов и может сталкиваться с помехами в случае электромагнитного излучения. Однако все эти минусы полностью нивелируются возможностями для многоцелевого применения, продолжительным периодом эксплуатации и большими объемами хранения данных.
2.5.5 Классификация RFID-считывателей
RFID ридеры, или считыватели– это устройства, умеющие считывать информацию с радиочастотных меток, или транспондеров . Помимо функции сканирования информации с транспондеров, считыватели умеют записывать закодированную информацию на метки, они постоянно взаимодействуют с системой учета и могут работать в автономном режиме. Различаются следующие типы считывателей:
1) Мобильные или ручные сканеры имеют небольшую зону действия, у них нет стабильной связи с программой контроля и учетной системой, они обладают беспроводным интерфейсом, имеют внутреннюю память, соответственно, позволяющую осуществлять запись сведений с чипов. Их питание обеспечивается за счет аккумуляторной батареи на протяжении 2-8 часов без перерыва. Ридеры используются на складах, в библиотеках, архивах, помещениях, где нет источников питания. Применимы в массовом учете, персонализации объектов, поиске, инвентаризации и контроле подлинности продукции. У ридеров данного типа удобная интеграция в оборудование, имеются сетевые интерфейсы (Wi-fi, Интернет). Мобильные сканеры – оптимальное решение для офисов и банковских учреждений;
На рисунке 2.7 представлен мобильный считыватель
Рисунок 2.7 – Мобильный считыватель
2) Настольные ридеры применимы в розничной торговле, чипировании одежды из натурального меха, на складах, в маркировании книг, дисков и документации в библиотеках, архивах. Приборы устанавливаются на место работы маркировщика, подключаются к компьютерной технике по USB;
На рисунке 2.8 представлен настольный считыватель.
Рисунок 2.8 – Настольный считыватель
3) Портальные сканеры находят применение в библиотеках в целях предотвращения похищения книг, на складах, а также в идентификации транспорта, объектов на заводах;
На рисунке 2.9 представлен портативный считыватель
Рисунок 2.9 – Портальный считыватель
4) Стационарные считыватели имеют огромную зону считывания и высокую мощность, могут в одно и то же время работать с огромным количеством информации, поступающей с множества меток. Приборы изготавливаются в металлическом корпусе, не дающем проникнуть влаге и пыли внутрь устройств. Ридеры подключаются к компьютерной технике, обеспечиваются сетевым питанием, могут одновременно читать информацию с множества меток и лучше всего подходят для крупных предприятий, складских комплексов и супермаркетов;
На рисунке 2.10 представлен стационарный считыватель.
Рисунок 2.10 – Стационарный считыватель
3 Выбор устройств для учета посещаемости
В данной выпускной квалификационной работе планируется реализовать систему, состоящую из шести компонентов, взаимодействующих через управляющее устройство, которое будет исполнять микроконтроллер Arduino-Nano.
3.1 Контроллер Arduino-Nano
Arduino ? это семейство электронных платформ, предназначенных для изучения проектирования электроники.
Arduino Nano ? компактная платформа для прототипирования микроэлектронных устройств, предназначенная для использования с макетной платой. Функционал устройства во многом схож с Arduino UNO и отличается от нее лишь размерами платы и отсутствием отдельного разъема для питания.
Основа Arduino Nano ? микроконтроллер на базе ATmega328, логическая микросхема для обработки данных с тактовой частотой 16 МГц, имеющая на борту 8 аналоговых и 14 цифровых контактов общего назначения, а также все необходимые интерфейсы: I2C, SPI и UART [22].
Структурная схема Arduino Nano представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1? Структурная схема Arduino Nano
Основные преимущества Arduino Nano:
? Простота использования;
? Быстрое изучение;
? Удобная среда разработки;
? Открытый исходный код.
Таблица 3.1 ? Технические характеристики Arduino Nano
Наименование Значение (характеристика)
Микроконтроллер Atmel ATmega328
Рабочее напряжение 5 В
Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
Входное напряжение (предельное) 6-20 В
