基于ARM和ZigBee的無(wú)線門禁控制系統(tǒng)

遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東 118009

一、引言

隨著信息技術(shù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，丹東各個(gè)小區(qū)都開(kāi)始采用門禁管理系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)，是重要部門出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效保障?，F(xiàn)有的門禁系統(tǒng)大多采用有線通信。有線門禁具有安全、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)有線通信方式具有初裝費(fèi)用高、施工時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)法移動(dòng)、變更余地小、維護(hù)費(fèi)用高、覆蓋面積小、擴(kuò)展困難等缺陷。

隨著ZigBee技術(shù)的發(fā)展，人們將ZigBee技術(shù)引入了門禁系統(tǒng)之中。它容易安裝，組網(wǎng)方便，即插即用，可移動(dòng)性強(qiáng)，解除了傳輸線對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的束縛。無(wú)線門禁系統(tǒng)將成為未來(lái)門禁系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[1]。

本文設(shè)計(jì)了一套無(wú)線門禁控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，使用ARM處理器和JMY-502射頻讀寫模塊進(jìn)行門禁讀卡器設(shè)計(jì)。硬件方面實(shí)現(xiàn)了射頻讀卡模塊設(shè)計(jì)、ZigBee控制器與ZigBee端點(diǎn)無(wú)線通信。軟件方面使用C#語(yǔ)言和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件系統(tǒng)管理門禁。系統(tǒng)已在丹東萬(wàn)達(dá)小區(qū)門禁系統(tǒng)實(shí)施完整控制，取得了良好的效果。

二、無(wú)線門禁控制系統(tǒng)硬件原理

系統(tǒng)以硬件采用ARM Cortex－M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能嵌入式芯片STM32F103作為ZigBee主控制器，再加上CC2530為主構(gòu)成的ZigBee端點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線收集收數(shù)據(jù)后，統(tǒng)一用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。各個(gè)門禁端點(diǎn)控制器之間相互組成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，并且控制器自身可以作為路由節(jié)點(diǎn)，與設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)部的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)控制器匯集整個(gè)門禁系統(tǒng)的信息，進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)串行通信收集到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)一個(gè)門禁管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，就能很方便的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理與控制。

1、ZigBee無(wú)線通信電路

單元門的ZigBee通信部分采用TI公司的CC2530通信芯片，再通過(guò)CC2591芯片放大信號(hào)，TI公司提供的開(kāi)源協(xié)議棧ZStack作為自組網(wǎng)通信協(xié)議，構(gòu)建樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)[2]。

CC2530是真正集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用一體的芯片系統(tǒng)，它以低功耗、低成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530集成了RF收發(fā)器以及經(jīng)典的8051單片機(jī)，CC2530F256片內(nèi)有256KB flash和RAM。有多種工作模式，保證超低功耗。模式轉(zhuǎn)換時(shí)間短，更加達(dá)到低功耗。該芯片利用ZigBee協(xié)議棧可以簡(jiǎn)單完美構(gòu)成無(wú)線通信系統(tǒng)。只需一個(gè)晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要。經(jīng)過(guò)CC2591芯片的放大，可靠傳輸距離400m，自動(dòng)重新連接距離為350m。CC2591芯片是德州儀器(TI)推出的產(chǎn)品，一般用于射頻前端的功率放大、低噪聲放大電路[3]。

2、ZigBee控制器硬件

ZigBee控制器的ARM核心板控制部分、按鍵、射頻卡模塊及觸摸屏控制部分如圖2所示。本系統(tǒng)使用的控制芯片是TI公司推出的ARM Cortex M3系列的STM32F103，這歀微處理器是首款基于ARM7框架的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡(jiǎn)指令集)處理器，可提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口。

STM32F103系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下：

（1）多達(dá)51個(gè)快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口都允許5V信號(hào)輸入；

（2）2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)16個(gè)外部輸入通道，可方便的測(cè)量處理器溫度值；

（3）靈活的7路通用DMA可以管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART等；

（4）調(diào)試模式支持標(biāo)準(zhǔn)的20腳JTAG仿真調(diào)試以及針對(duì)Cortex-M3內(nèi)核的串行單線調(diào)試(SWD)功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是JTAG接口；

（5）內(nèi)部包含多達(dá)7個(gè)定時(shí)器；

（6）含有豐富的通信接口有3個(gè)USART異步串行通信接口、2個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口、1個(gè)CAN接口和1個(gè)USB接口，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證[4]。

3、射頻卡模塊

由MFRC522、濾波電路和天線等組成。MFRC522是一個(gè)讀卡器集成電路，支持13.65MHz的無(wú)線通訊，與無(wú)線卡之問(wèn)通過(guò)ISO/IEC 14443的TYPE A的射頻接口進(jìn)行通訊。實(shí)現(xiàn)非接讀卡器讀MIFARE卡的系統(tǒng)。MFRC522與外界通信可以支持多種接口，包括SPI、I2C、UART接口，文中使用串行接口方式。

三、門禁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee端點(diǎn)和主控器程序框圖如圖3所示。下位機(jī)軟件采用IAR system嵌入軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)平臺(tái)能夠生成代碼高效緊密，具有很多豐富的庫(kù)函數(shù)，采用單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)控制器主要是負(fù)責(zé)與各個(gè)端點(diǎn)控制器交互，并與上層PC端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上行下行命令信息傳輸。

上位機(jī)軟件方面采用客戶端和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使用.NET環(huán)境，編程語(yǔ)言用C#，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用SQL2005軟件。用戶以客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，達(dá)到對(duì)整個(gè)門禁系統(tǒng)實(shí)施完整控制。上位機(jī)軟件主要有ZigBee通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理兩功能。服務(wù)器擁有固定的IP地址，上位機(jī)軟件一直監(jiān)聽(tīng)服務(wù)端口，當(dāng)ZigBee控制器有請(qǐng)求發(fā)生，服務(wù)器建立連接。在收到ZigBee控制器的數(shù)據(jù)后，根據(jù)指定的上下行命令幀格式，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并將其存入后臺(tái)的SQL庫(kù)里。上位機(jī)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

四、系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)集成后，業(yè)主ZigBee端點(diǎn)單元測(cè)試顯示畫面如圖5所示?？梢钥闯?，業(yè)主在家中就可以看到外來(lái)人員，可以控制門禁。小區(qū)監(jiān)控室上位機(jī)系統(tǒng)管理軟件界面如圖6所示。主要有門禁卡查詢，門禁權(quán)限管理、人員管理、數(shù)據(jù)管理等。經(jīng)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)了居民小區(qū)門禁系統(tǒng)安全可靠地管理。

五、結(jié)論

本文提出用對(duì)無(wú)線門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的預(yù)定功能，對(duì)于被授權(quán)用戶能夠通過(guò)刷卡或者輸入密碼打開(kāi)門禁，非授權(quán)用戶能夠通過(guò)無(wú)線語(yǔ)音系統(tǒng)向住戶發(fā)出進(jìn)入請(qǐng)求，在經(jīng)過(guò)允許后可以進(jìn)入樓內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)遭到非法入侵時(shí)，能夠主動(dòng)向保安中心緊急報(bào)警。該軟件界面簡(jiǎn)單易用，界面友好，功能完備，適合門禁管理人員使用。