一項實用設備開發的技術路線實例

摘要：綜合應用多種類型傳感器可以將開關量進行統一數字編碼，并結合集成芯片進行數字邏輯判斷，可以實現針對流程相對固定、操作統一規范的“技防”設備的開發。此全電路方式具備單片機上電即工作的高效率，且免除了軟件開發過程，也無需任何操作系統，即可實現智能化工作，開發成本低且開發進度快。在后期維護方面，無需專業人員，只需對使用人員進行簡單培訓，即可通過更換備件的方式，及時迅速排除故障。本文主要介紹使用光電傳感器、接近傳感器、磁控元件、集成芯片等成品裝置或元器件，探索并實踐全電路智能化設備的低成本開發的實例。

關鍵詞：驗證柜臺；傳感器；數字邏輯；軟布防；技防

在各個機場、車站、口岸等需要逐一比對人、證（票）的通行關口中，存在著票、登機牌、護照等通關憑證上漏蓋驗訖章或者漏驗人員的風險。漏驗、漏章會給相關單位、執勤人員、當事人以及其他關聯人員帶來不小的影響和麻煩，有些機場甚至出現過因漏檢而導致航班延誤、旅客復檢的情況。盡管漏檢、漏章發生的概率很小，但在當前國內外對公共安全高度重視的情況下，漏驗或者漏章就很可能讓某些不良企圖者有機可乘，從而對公共安全構成威脅。

在當前各種技術防范手段日新月異的情況下，解決驗證柜臺漏驗、漏章問題的技防方案相對較少，或者附帶此功能的方案造價較高，如人臉識別方案，此類高端方案受審批、資金、工程規模等因素的制約，實現周期比較長且需要對現有場地進行大規模改造，給正常工作帶來一定影響，并且后續維護成本較高。此外，在實際使用過程中，如遇故障導致重啟系統，也會由于自檢時間等原因，導致通關流程中斷現象明顯。因此，本案旨在針對大部分的驗證柜臺（安檢、邊檢、客運），利用傳感器和集成電路設計并開發出一套低成本、易實現、易維護的通用設備，迅速響應且通電即可工作。該設備專用于票、證檢查（核對）關口容易出現的紕漏，提供技術防范措施。從某種意義上來說，本案提出了一套功能齊全、實現簡單易行、針對性強且低成本的解決方案。經過對機場安檢的前期調研，從現場勘查以及工作規范與制度中提煉出一般票證檢查的流程和易出現的問題。具體流程如下：檢查員就位，受檢人員排隊依次接受檢驗，檢查員接過票、證，逐一對被檢人員進行人、證（票）比對，合格后在相應處加蓋驗訖章放行。在此過程中，檢查員應注意有無未被檢查的人員自行通過驗證臺進入后續流程，同時，在被放行人員通過驗證柜臺時，檢查員需注意觀察是否有人尾隨越過檢查環節。然而，在高峰期，檢查員可能面臨較大壓力。并且可能偶遇特殊情況，如檢查員精神狀態不佳，需要詢問受檢人員以進一步核實等。

在這些情況下，可能出現其他排隊人員因某些原因脫離檢查人員視線，未經檢查直接進入后續流程。

根據流程和問題的總結，我們規劃在技防方面應實現以下幾個功能：

①避免未驗票證及須蓋章物品如登機牌（票）、護照未被加蓋驗訖章的功能；

②警示出現未經檢驗者越過驗證環節擅自進入后續流程的功能；

③協助并監督檢查人員規范操作的功能；

④對允許范圍內人員進行非單方同時確認例外放行的功能。

其中，第①、②、③項功能為主要功能。

在功能確定后，物理實現方式多采用單片機或其他小型化智能平臺實現?？紤]到目標流程中需要監測的關鍵點數量較少，可以使用位數較少的數字化編碼。只采用單片機外圍器件來實現邏輯功能，以免去代碼編寫的麻煩。這樣既可以兼顧方案開發成本，也方便日后的維護。一旦發生故障，只需使用單位內的人員根據具體現象將相關的傳感器或芯片進行更換，即可快速恢復功能，以達到快速處置的目的。具體設計過程如下：

一、防漏蓋（章）模組

此模組對應實現規劃功能1，即避免未驗票證個須蓋章物品（如登機牌、護照）未被蓋章。

根據實地考察和調研了解到，曾出現檢查人員由于身體狀況不佳或注意力不集中，只掃描了票、證的識別信息，而未將驗訖章正確蓋在票、證上的現象，這是操作方面產生遺漏的一個特例，但其他原因產生的人的精力分配原因造成的漏蓋驗訖章偶爾會發生，此小概率事件尚無法完全杜絕，故而，作為“技防”方案，相應的功能模塊應能夠規范、監督和識別此套蓋章動作?？紤]到模型化方式，需具備以下條件：

首先，票、證應放置于指定范圍；其次，驗訖章應在指定范圍內以一定壓力按壓在票、證上面，保證有印油??；最后，紙質票據的替代品（智能終端）也應當適用此模組的識別。

基于以上三點，對于檢查員接過的票、證、驗訖章、智能終端，包括擺放位置和驗訖章壓力部分的模組進行如下設計：

①在柜臺桌面上預埋光電開關，用于感應票、證是否放置在規定的合理范圍內；毗鄰光電開關還可以預埋接近開關，用于感應代替紙質票、證的智能終端設備；

②在規定范圍內的落章區設置壓力板，采用微動開關作為核心元件，用于接收落章的壓力并產生按壓信號；

③在落章區增設干簧管，并在驗訖章處內置磁鐵，以磁控的方式明確落章的壓力是由驗訖章傳導而來。磁控方式還可以避免非磁性物品或人體肢體產生的壓力誤觸發，從而確保驗證柜臺僅對管理范圍內的磁性物品進行驗證。各功能單元設計：

（一）光電傳感單元

此單元用于判決票（證）是否被正確放置于指定范圍內，并輸出相應的信號。它由漫反射NPN型光電開關和光電耦合器等外圍器件構成，其輸出的信號傳輸至甲塊74LS138芯片的1腳，與A節點連接的時基信號保持電路單元。光電開關垂直向上安裝，內嵌于殼體上表面開槽處，以凹陷下沉的方式放置。

（二）接近開關單元

此單元與光電傳感單元作用類似，用于智能終端二維碼代替登機牌等票據上的條形碼場景。當智能終端被正確放置時，將會輸出相應的位置確認信號。本單元由電感式NPN型接近開關和光電耦合器等外圍器件構成，其輸出信號傳輸至甲塊74LS138芯片的3腳，與A節點連接時基信號保持電路單元。接近開關與光電開關緊密安放于殼體上表面（接近開關感應面嵌入殼體開槽處，與上表面平齊，以抵消殼體厚度對感應距離的影響）。

在使用智能終端二維碼代替登機牌等票據上的條形碼場景中，由于無需蓋章，本案設計思路為：在智能終端被上述傳感器識別到的情況下，用驗訖章空壓蓋章區進行虛擬蓋章，以補全判決信號數據位。

（三）磁控及微動開關組單元

該單元的作用是感知驗訖章是否到位，并施加一定壓力時蓋章印出章印。驗訖章內含磁鐵，蓋章時逼近殼體上表面內所埋干簧管，使其導通，完成驗訖章就位判決。當施加一定外力將驗訖章向下壓時，微動開關導通，完成蓋章成功（有章?。┡袥Q。根據實際情況，微動開關屬于頻繁承壓器件，易損耗。為了防止微動開關因長時間頻繁使用而失效，以至于影響整個裝置的正常工作，采用單微動開關和單干簧管串聯成組，構成“與”邏輯后，將多個串聯組進行并聯形成“或”邏輯的方式，放置在電路中，可有效避免易損器件因單點失效而導致的問題。

在判決壓力功能方面，這樣的設計確保了承受機械壓力的機構不會出現單點失效；在判決驗訖章是否到位的功能方面，這樣的設計可以避免不同人員習慣差異帶來的磁感判決偏差。

此單元輸出的壓力和磁控串聯“與”邏輯信號，傳輸至甲塊74LS138芯片的2腳。

以上三個單元在驗證柜臺桌面下殼體內的相對位置如圖1所示。

二、布、撤防與放行模組

此模組對應實現規劃功能2，以避免未經檢驗者越過本流程擅自進入后續流程，并對例外放行的情況進行技術監管。

在票、證檢驗期間，必須防止未經檢驗人員通行，完成檢驗并確認合格后，才會給予放行。在實際工作中，檢查員應當禮貌地目送過檢人員通過驗證柜臺，同時可觀察是否有尾隨人員。

通常情況下，逐一放行關口由通過閘機來實現。但在本案應用場景中，公共場所必須考慮緊急疏散的需求，因此不適合使用閘機這類硬物理設施。取而代之的是使用軟物理手段，即設置帶有感應區的光柵來進行布防，并輔助監控人員的操作。當確認檢驗合格并準備放行時，檢查員按下放行按鈕以確認操作，同時禮貌地目送被檢人員進入通道入口。此時，由于放行按鈕已被按下，光柵失去電力供應，人員通過時不會觸發報警。

在有些情況下，工作人員可能因為換崗等原因需要經過布防區，或者被檢人員可能中止流程后需要逆向離開通道，均會觸發已經處于布防狀態的光柵發出報警信號。因此，需要在有人引導和監管的模式下進行例外放行，也就是光柵臨時撤防功能。通過一個邏輯電路可以實現這一功能：換崗工作人員或者負責引導逆行退出的工作人員按下遠端光柵處按鍵，再由柜臺內的檢查員按下放行按鈕，形成“與”邏輯。在此邏輯下，光柵可以臨時撤防，以便人員通過。由于是“與”邏輯的相關操作，這意味著至少有兩名工作人員來監管例外放行事件，以防止誤觸發行為，目的是確保例外放行行為不會出現單方面的確認，從而保證安全萬無一失。

三、邏輯判決模組

以上經過模型化梳理的邏輯功能模組，需要集中進行邏輯判決。為了最大限度減少開發和生產成本，常規方法是通過軟件或單片機實現。本案采用的方法是將各個功能模組輸出的信號（不超過7個）進行二進制編碼，形成三位二進制數據，并利用74LS138三－八線譯碼器芯片進行邏輯判決，達到性價比最優設計的目的。同時，為了方便插拔更換和降低運維難度，芯片上設計了芯片座，極大降低運維難度。具體連接方式為：

74LS138芯片的16腳為正電源輸入端，8腳接電源地，1腳、2腳、3腳分別接收各個功能模組輸出的信號形成的三位二進制數據D0、D1、D2，15腳至9腳以及7腳為8個非邏輯輸出端。

（一）電源轉換單元

由于市面上各類主流傳感器的工作電壓范圍一般為直流12V及以上，而本案邏輯判決單元所用的核心IC芯片74LS138，工作電壓最高只有直流5V，故用三端穩壓集成電路7805為邏輯判決單元核心器件74LS138芯片供電。

（二）傳感器信號邏輯編碼單元（桌面組）

該單元由一片74LS138為核心構成，在電路中的編號為74LS138甲，并具備即時提醒功能，其提示范圍控制在柜臺范圍內，利用中等強度的聲音和光線提示檢查員及時糾偏。

本單元的基本工作原理是將防漏蓋（章）模組中光電傳感單元的信號轉變為數據D0，磁控及微動開關組單元的信號轉變為數據D1，接近開關單元的信號轉變為數據D3，然后對這些信號進行統一編碼，使用二進制進行邏輯編碼以便進一步分析和處理。

傳感器信號邏輯編碼單元（桌面組）單元芯片真值表和節點與管腳對應關系如表1：

（三）信號保持單元

為了在統一判決（按下放行按鈕）前能保持一段時間的非同步信號，需要設計信號保持單元，實現類似內存的功能。此單元還具有操作流程的時間窗口作用，如果操作時間超過窗口設置，即判定為流程中斷，系統將自動復位，檢查員可重新進行判決，這樣可以避免因中斷可能導致的遺忘和流程缺失。

此單元由3片555芯片為核心組成，能夠接收光電傳感單元、接近開關單元、邏輯判決單元甲的輸出信號，并通過延時的方式保持一定時間，然后提供給邏輯判決單元乙的輸入端2A1和2A2。如果檢查員的操作明顯快于時間窗口設置，在光電傳感單元或接近開關單元有輸出信號時，系統將認定為下一檢查周期的開始，并對系統進行針對下一周期的操作，自動復位。

在具體過程中，芯片555甲起復位作用，當其接收到光電傳感單元或接近開關單元低電平信號后，會發出一個窄脈沖，對芯片555乙和芯片555丙進行復位操作。芯片555乙接收到邏輯判決單元甲輸出的低電平信號后，會發出高電平信號“2A1”給邏輯判決單元乙的芯片74LS138乙的2腳。此外，設計中還考慮到條形碼或二維碼的掃描功能。當終端電腦成功掃描后，會通過驅動蜂鳴器發聲的方式表示掃碼成功，掃描頭的蜂鳴器脈沖信號可以被采樣利用。因此還設置了芯片555丙，用于接收采樣到的掃描頭蜂鳴器的脈沖信號，并將發出高電平信號于2A2節點，供邏輯判決單元乙的芯片74LS138乙的3腳使用。

（四）邏輯分析判決單元乙（行為組）

74LS138乙為該單元的核心構成，作用是判決布防區撤防條件以及檢測是否有非法通行行為，并在驗證柜臺之外的范圍內，通過廣播強聲、光警示信號來提醒人們，起到比較明顯的公共提示作用。當布防區出現非法通行行為時，會發出警示信號，提醒相關人員增援。在點居中，該芯片1腳接電阻和放行開關組成的分壓網絡連接，平時1腳經電阻接+VDD，以保持其初始狀態，2A0節點處于高電平狀態。當KF放行開關保持閉合時，1腳接地，使得2A0節點立即變為低電平狀態。邏輯分析判決單元乙（行為組）芯片真值表和節點與管腳對應關系如表2。

四、結束語

①本案驗證了電子電路可用于二進制編碼與流程節點之間的邏輯對應；

②通過延時電路建立的時間窗可起到1位數據的緩存作用；

③僅使用電子電路，對采集到的多路信號按邏輯電平分多次進行逐級判決或篩選，不通過可編程器件也能實現一定的智能應用。

作者單位：馮浩 吉林省民航機場集團有限公司信息管理部

參? 考? 文? 獻

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