基于STM32單片機(jī)和GSM 技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)

姜日凡

（大連工業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，遼寧 大連 116034）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，門禁控制系統(tǒng)不斷向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。大連聯(lián)通公司通過給通信基站安裝智能化門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對通信基站集中管理和分散控制。目前門禁系統(tǒng)安裝方式分為有線和無線兩種，但對于分散的通信基站來說，使用有線方式需要在布線和調(diào)試方面花費(fèi)過多的物力和財(cái)力，而使用普通無線方式又存在高功耗、傳輸距離短、低抗干擾性和低擴(kuò)展性等問題［1］。針對以上問題，作者設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)和GSM 技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以高性能、低功耗、低成本的STM32 單片機(jī)為核心，移植了μC／OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，利用GSM 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)門禁監(jiān)控平臺(tái)對門禁終端機(jī)的遠(yuǎn)程控制和交互數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)集成了無線網(wǎng)絡(luò)管理、短信管理、串口管理、密碼開門、刷卡開門、手機(jī)開門等多種功能。

1 門禁系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由高可靠性的門禁終端機(jī)和門禁監(jiān)控平臺(tái)兩部分組成，利用監(jiān)控平臺(tái)授權(quán)的方式進(jìn)行管理，通過GSM 網(wǎng)絡(luò)控制門禁終端機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)對通信基站網(wǎng)絡(luò)化智能化管理，門禁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

門禁監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)門禁卡的授權(quán)和銷毀，數(shù)據(jù)庫的建立、管理、維護(hù)，負(fù)責(zé)采集、記錄各門禁終端機(jī)上傳的信息，并向各個(gè)終端機(jī)發(fā)送信息。終端機(jī)是門禁系統(tǒng)的直接動(dòng)作執(zhí)行部分，包括開／關(guān)門以及用戶的各種自助性服務(wù)。監(jiān)控平臺(tái)和終端機(jī)之間通過GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從監(jiān)控平臺(tái)經(jīng)GSM 網(wǎng)絡(luò)向基站門禁終端機(jī)發(fā)送設(shè)置完成的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。本門禁系統(tǒng)有三種開門方式：密碼開門、刷卡開門、手機(jī)短信開門。

圖1 門禁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of access control system

2 門禁終端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

對用戶來說，門禁控制系統(tǒng)最重要的部分就是門禁終端機(jī)，門禁終端機(jī)既可以單機(jī)使用也可以聯(lián)機(jī)使用，本門禁終端機(jī)通過GSM 模塊聯(lián)機(jī)。本門禁終端機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過實(shí)現(xiàn)不同的功能，終端機(jī)由不同的功能模塊構(gòu)成，各功能模塊選用了以下主要硬件設(shè)備。

圖2 門禁終端機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of access control terminal

2.1 微處理器

本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體公司 的STM32F103VET6為微處理器，STM32 基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex－M3 32位的RISC內(nèi)核。

STM32F103VET6工作頻率為72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128kb的閃存和20kb的SRAM），豐富的增強(qiáng)I／O 端口（多功能雙向5V 兼容的I／O 口和所有I／O 口可以映像到16個(gè)外部中斷）和連接到兩條APB總線的外設(shè)，該芯片包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16 位定時(shí)器、一個(gè)PWM 定時(shí)器、2 個(gè)I2C、2個(gè)SPI同步串行接口、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。

2.2 GSM 模 塊

為了減少監(jiān)控平臺(tái)和終端機(jī)之間的布線，充分利用現(xiàn)有的無線通信技術(shù)，監(jiān)控平臺(tái)和終端機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互采用GSM 網(wǎng)絡(luò)。GSM 模塊通過使用AT 命令控制，模塊可以與電腦相連，也可以用單片機(jī)來進(jìn)行控制。

本設(shè)計(jì)選用TC35i模塊，TC35i模塊是一款支持中文短信息的工業(yè)級的GSM 模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8V，休眠狀態(tài)電流消耗為3.5mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300 mA，峰值為2.5A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM 卡讀卡器和天線。SIM 電壓為3V／1.8V，TC35i通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300b／s～115kb／s，自動(dòng)波特率為1.2～115kb／s。它支持Text和PDU 格式的SMS，可通過AT 命令或關(guān)斷信號實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)，具有性能穩(wěn)定，功耗低及易于集成的特點(diǎn)［2－3］。

2.3 電源模塊

電源模塊不但需要為門禁控制器進(jìn)行供電，同樣需要為電磁鎖單元進(jìn)行供電。整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓由220V 市電經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12V 供給系統(tǒng)使用，然后選用LM2576、MIC29302、AMS1117分別提供5.0、4.2、3.0V 電壓。

3 門禁終端機(jī)軟件設(shè)計(jì)

門禁終端機(jī)以STM32 微處理器為控制核心，移植了μC／OS－Ⅱ操作系統(tǒng)，程序使用C 語言編寫。終端機(jī)的軟件流程如圖3所示。

圖3 門禁終端機(jī)的軟件流程圖Fig.3 Software flow diagram of access control terminal

門禁終端機(jī)的軟件主要由系統(tǒng)主程序、底層驅(qū)動(dòng)程序、各功能模塊子程序組成。為了軟件開發(fā)管理和后期調(diào)試方便，各程序由獨(dú)立的C 語言文件編寫，系統(tǒng)主程序?yàn)閙ain.c文件，底層驅(qū)動(dòng)程序包含stm32f10x＿it.c、UsartSdriver.c、CircleBuf.c、CtrlMatrix.c、TickTimer.c等文件，讀卡模塊程序?yàn)镽eadDoorCard.c文件、GSM 模塊程序?yàn)镾ms.c文件、外部存儲(chǔ)器程序?yàn)镕lash.c文件、時(shí)間日歷程序?yàn)閏lock＿calendar.c文件。其中系統(tǒng)主程序包含μC／OS－Ⅱ操作系統(tǒng)，μC／OS－Ⅱ是可移植、可固化、可裁減的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核［4－5］。

GSM 模塊程序是比較重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)GSM 的定義，短信息的發(fā)送與接收模式共有3種：Block模式、基于AT 命令的Text模式和基于AT 命令PDU 模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持，用于中英文短信息傳送應(yīng)使用PDU 模式，只傳送英文短信息使用Text模式。因?yàn)門ext模式短信息接收比較簡單，如果不需要傳送中文則盡量使用Text接發(fā)短信息模式，而對于收發(fā)有中文短信息必須使用PDU 模式，中文字符按照UNICODE 進(jìn)行編碼，采用PDU 模式發(fā)送接收短信息步驟分為初始化GSM 模塊、發(fā)送中文短信息和接收中文短信息［6－8］。本軟件使用PDU 模式，進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件。

4 結(jié) 語

本門禁系統(tǒng)以移植了μC／OS－Ⅱ操作系統(tǒng)的STM32單片機(jī)為核心，利用GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和交互數(shù)據(jù)傳輸，采用密碼、刷卡及手機(jī)控制等識別技術(shù)作為門禁身份識別方法，同時(shí)集成了多種管理方式。本門禁系統(tǒng)已應(yīng)用于大連聯(lián)通公司的郊區(qū)基站，經(jīng)過長期實(shí)踐證明本系統(tǒng)成本低、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)和運(yùn)行穩(wěn)定可靠，特別適用于對分散的通信基站集中管理和分散控制。

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