基于μC/OS-Ⅱ的主從式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂俊懷，任世錦，郝國生

（徐州師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

目前，一些單位和家庭雖然使用了安全監(jiān)控系統(tǒng)，對安全防盜起到了一定的作用，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到人們預(yù)期的目標(biāo)，原因是監(jiān)控系統(tǒng)是一個單元樓道對應(yīng)一個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以孤立的形式存在，與小區(qū)的整體保安脫節(jié)；作案人與普通人的外觀形體難于區(qū)分和識別。而主從式門禁系統(tǒng)，對小區(qū)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控，能有效克服現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

由于主從式門禁系統(tǒng)的多任務(wù)和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)軟件的可靠性和實(shí)時(shí)性，主從式門禁系統(tǒng)的軟件是基于μC/OS-II開發(fā)的系統(tǒng)軟件，μC/OS-II是源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，被成功地移植到多種微處理器上[2]。本文介紹了基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)軟件開發(fā)方法。

1 總體設(shè)計(jì)思想

所謂門禁系統(tǒng)，是指符合條件的人通過門的控制系統(tǒng)。主從式門禁是由多級、多個單門禁系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。其由小區(qū)（單位）門禁和樓道門禁兩級組成。小區(qū)門的控制系統(tǒng)是主控制系統(tǒng)，單元樓道的控制系統(tǒng)是從控制系統(tǒng)，主系統(tǒng)和從系統(tǒng)連成主從控制系統(tǒng)，見圖1。

圖1 主從式門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主系統(tǒng)對從系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，并能夠有效裁決系統(tǒng)發(fā)生的并發(fā)事件，將并發(fā)事件轉(zhuǎn)換為基于時(shí)間的串行事件處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主從系統(tǒng)之間的通信方式由下面情況決定：面積小于106m2的小區(qū)，主系統(tǒng)和從系統(tǒng)之間采用485總線通信；對于超過106m2的小區(qū)，主系統(tǒng)和從系統(tǒng)之間采用CAN總線通信方式[3,4,9]。主系統(tǒng)對從系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，每個從系統(tǒng)的地址取其所在樓號和單元號的組合；從控端對每個住戶采用直接控制。

2 系統(tǒng)總體功能

基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)際需要，系統(tǒng)有以下3種功能：

（1）進(jìn)門監(jiān)控。有4種方式：一是用鑰匙打開門鎖，二是密碼或刷卡進(jìn)入，三是卡號更新或修改密碼，四是來訪者通過呼叫住戶進(jìn)入；

（2）實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)、從系統(tǒng)與住戶之間通信與管理功能；

（3）提示與對講系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和功能，采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 主從系統(tǒng)協(xié)同控制

主系統(tǒng)通過從系統(tǒng)直接與住戶通話，便于對進(jìn)入小區(qū)的陌生人進(jìn)行核實(shí)。方法是主控制系統(tǒng)通過鍵盤輸入樓號、樓道號、分戶號發(fā)送給每個從系統(tǒng)，對應(yīng)的從系統(tǒng)呼叫住戶。

3.1.1 主系統(tǒng)具有的功能

為了實(shí)現(xiàn)主從系統(tǒng)協(xié)同工作，主系統(tǒng)具有下面功能：

（1）主動喚醒。當(dāng)有鍵盤輸入、刷卡時(shí)，喚醒主系統(tǒng)；

（2）與從系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)。向從系統(tǒng)發(fā)送樓號、單元號、戶號；

（3）被動喚醒。從系統(tǒng)串行口送來的開門特征碼，喚醒主系統(tǒng)。

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的主控制系統(tǒng)如圖2所示。

3.1.2 從系統(tǒng)具有的功能

從系統(tǒng)有下面功能：

（1）被動喚醒。主系統(tǒng)通過串行口，喚醒從系統(tǒng)；

（2）與主控制系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)。對主系統(tǒng)送來的樓號、單元號，判斷主機(jī)是否要和本機(jī)通信，如是就完成與主系統(tǒng)握手，協(xié)助主系統(tǒng)和住戶建立聯(lián)系；

圖2 主控制系統(tǒng)框圖

（3）主動喚醒。鍵盤輸入、刷卡喚醒；

（4）與要聯(lián)絡(luò)的住戶握手。通過鍵盤呼叫住戶，通過對講系統(tǒng)與住戶聯(lián)系。

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的從系統(tǒng)如圖3所示。

圖3中的K1，K2，…，Kn在住戶端，住戶端按動開關(guān)K1，K2，…，Kn，開關(guān)信號喚醒STC89C516RD+。主系統(tǒng)和從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[5～7]。

圖3 從控制系統(tǒng)框圖

從系統(tǒng)與住戶的對講系統(tǒng)如圖4所示。主系統(tǒng)和從系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無線對講，樓道端和住戶端使用有線對講，對講系統(tǒng)的這種設(shè)計(jì)思想，使主從控制系統(tǒng)的協(xié)同控制電路簡化。

圖4 從控制系統(tǒng)與住戶端語音對講系統(tǒng)框圖

圖3輸出控制信號D0，…，Dn，通過解碼電路輸出控制信號 D0’，…Dn-1’，Dn’，連接圖 4的三態(tài)門控制端，控制對講系統(tǒng)中的電子模擬開關(guān)通斷，從而控制住戶端音頻線的通斷，實(shí)現(xiàn)小區(qū)門、單元樓道和住戶之間單獨(dú)對話。其中D0’,…Dn-1’，Dn’控制語音芯片信號的輸出。

3.2 軟件設(shè)計(jì)增加了輔助管理功能

在從系統(tǒng)中使用T0定時(shí)器。對0：00到5：00時(shí)間段內(nèi)呼叫的住戶號保存；同時(shí)從系統(tǒng)對18：00到次日5：00時(shí)間段內(nèi)呼叫進(jìn)入住戶的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)進(jìn)入某戶的人數(shù)大于該住戶人口數(shù)時(shí)，保存該住戶號。在次日5：00開始依據(jù)已經(jīng)設(shè)定的從控制系統(tǒng)的序號，順序?qū)⒃摂?shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，次日17：00清除該數(shù)據(jù)。主控制系統(tǒng)每天對各棟樓異常出入人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)保存，供保安人員查詢。

3.3 基于μC/OS-Ⅱ的軟件設(shè)計(jì)

基于STC12C5A60S2的應(yīng)用軟件具有無限循環(huán)、對底層硬件緊密耦合、程序編制缺乏軟件工程設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)等特點(diǎn)。針對本系統(tǒng)軟件具有突發(fā)性、多任務(wù)和實(shí)時(shí)特性。本系統(tǒng)基于μC/OS-Ⅱ平臺開發(fā)軟件，不僅滿足門禁系統(tǒng)的要求，而且能簡化程序設(shè)計(jì)和提高編程效率，同時(shí)提高軟件的可靠性。

本系統(tǒng)使用了μC/OS-ⅡV2.76版本，借鑒了參考文獻(xiàn)[8]中μC/OS-Ⅱ移植方法，利用事件標(biāo)志組Event_Flag()和互斥信號量Mutex()解決多任務(wù)在處理共享資源時(shí)的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。由于篇幅限制，在此只是簡略說明軟件系統(tǒng)的開發(fā)步驟：

（1）設(shè)置工作堆棧和任務(wù)堆棧。工作堆棧安排在內(nèi)部存儲器的53H-7FH，容量為32字節(jié)，設(shè)置一個全局變量跟蹤程序嵌套的層數(shù)，防止工作堆棧溢出；任務(wù)堆棧安排在外部數(shù)據(jù)存儲器的頂部。

（2）移植代碼。修改與STC12C5A60S2相關(guān)的代碼。

（3）移植代碼測試和仿真。首先對移植到STC12C5A60S2的代碼進(jìn)行測試，然后在移植系統(tǒng)上進(jìn)行仿真調(diào)試。

4 結(jié)束語

主從式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是：

（1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了主從協(xié)同控制技術(shù)，并使門禁系統(tǒng)具有輔助管理功能，輔助統(tǒng)計(jì)夜間進(jìn)出人員數(shù)據(jù)；

（2）主從系統(tǒng)的微處理器使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2，整個系統(tǒng)常態(tài)睡眠，節(jié)省了能源，提高了產(chǎn)品壽命；

（3）整個軟件系統(tǒng)基于μC/OS-Ⅱ平臺開發(fā)，方便了系統(tǒng)維護(hù)。

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