基于BLE技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)

白志帥 ，穆士留 ，張 峰 ，趙 黎

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.河南許繼儀表有限公司，河南461000）

門禁系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的安全防衛(wèi)系統(tǒng)[1-8]，近年來發(fā)展很快已經(jīng)成為時下的熱點。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)多采用RFID刷卡的方式進行信息采集和處理，用戶需隨身攜帶卡片，這使用戶很不方便且數(shù)據(jù)信息的采集受距離的限制。本設(shè)計將藍牙微功耗的技術(shù)應(yīng)用于門禁系統(tǒng)的信息采集和處理，有效地解決了這一問題[9-14]。當(dāng)用戶走進有效區(qū)域范圍內(nèi)，用戶只需打開手機藍牙（藍牙4.0及以上版本）與藍牙模塊進行連接，即可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鬟M行一系列的處理，從而實現(xiàn)對出入口的安全控制。該系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

系統(tǒng)由STM32F103處理器、藍牙BLE模塊、LCD顯示屏、用戶移動終端設(shè)備（手機或便攜式藍牙模塊）組成。開啟系統(tǒng)之后，藍牙模塊自動搜尋附近可連接的移動設(shè)備，當(dāng)建立連接后，藍牙模塊將采集到的信息傳遞到系統(tǒng)處理器進行比對處理，比對結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。藍牙微功耗門禁總體框圖如圖1所示。

圖1 藍牙微功耗門禁系統(tǒng)示意Fig.1 Overall block diagram of BLE access control system

1.2 核心實現(xiàn)技術(shù)分析

課題的硬件部分主要采用STM32F103RBT6開發(fā)板作為系統(tǒng)的主控模塊，藍牙模塊采用NRF51822芯片作為信息采集芯片，采用128×64個點的顯示器作為顯示模塊，軟件部分主要是在Keil的開發(fā)環(huán)境上進行設(shè)計。

1.3 iBeacon體系簡介

2013年9月蘋果公司發(fā)布了OS（iOS7）操作系統(tǒng)，iBeacon是iOS7最重要的特性之一，同時也為iBeacon協(xié)議帶來了新的功能。這是一種新型的位置感知技術(shù)，它的本質(zhì)就是藍牙設(shè)備，使用低功耗藍牙傳輸技術(shù)進行短距離通信。iBeacon技術(shù)通過在商場等場所建立iBeacon基站，iBeacon基站會自動創(chuàng)建一個信號區(qū)域。當(dāng)帶有低功耗藍牙的設(shè)備進入該區(qū)域時，低功耗藍牙設(shè)備就能感應(yīng)到iBeacon信號，相應(yīng)的應(yīng)用程序便會提示用戶是否接入這個信號網(wǎng)絡(luò)，通過小型的無線傳感器和藍牙技術(shù)用戶便能使用設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)[15]。本次設(shè)計應(yīng)用iBeacon技術(shù)實現(xiàn)移動終端對門禁系統(tǒng)的控制，原理如圖2所示。門禁系統(tǒng)作為控制中心連接著服務(wù)器并且對門禁進行控制。當(dāng)移動終端進入iBeacon基站自動創(chuàng)建的信號區(qū)域，移動終端便可以與門禁系統(tǒng)進行信息傳輸，從而實現(xiàn)對門禁的控制功能。服務(wù)器主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初始化和對用戶信息的查找、修改、增加以及刪除功能，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程管理功能。

圖2 門禁控制系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of access control system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STMF103處理器

處理器電路設(shè)計包括STM32F103芯片所用引腳連接及其外圍電路設(shè)計，主要包括晶振電路、去耦電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路。ARM處理器電路如圖3所示。

圖3 處理器電路Fig.3 Processor circuit diagram

芯片的供電體現(xiàn)在引腳 19、32、48、64接 3.3 V電壓。ARM 處理器中的引腳 16（PA2）、引腳 17（PA3）分別為串行發(fā)送口、串行接收口，連接藍牙模塊的串行接收口（P0.09）、串行發(fā)送口（P0.08）。其外圍電路包括JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路、晶振電路、去耦電路，如圖4所示。

2.2 NRF51822藍牙模塊

NRF51822支持低功耗藍牙協(xié)議棧和2.4 G協(xié)議棧[15]。NRF51822所有數(shù)字IO引腳可自由定義和映射，方便開發(fā)；其藍牙協(xié)議和應(yīng)用代碼的存儲空間相互分開、互不干擾、使用簡單，只需配置API參數(shù)就可運行起來。NRF51822供電范圍為1.8～3.6 V，可與處理器直接共用電源，系統(tǒng)中通過XC1和XC2為其并聯(lián)外接16 MHz晶體振蕩器提供時鐘信號。模塊射頻天線設(shè)計是利用ANT1和ANT2差分天線接口外接倒F天線，并通過片上功率放大器輸出端口ADD_PA為天線提供軟件可調(diào)發(fā)射功率。NRF51822的P0.08和P0.09被映射為芯片串行接口分別連接處理器的接收和發(fā)送端口。電路原理如圖5所示。

圖4 處理器外圍電路Fig.4 Processor peripheral circuit diagram

圖5 NRF51822電路原理Fig.5 NRF51822 circuit diagram

2.3 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用帶中文字庫的128×64點的LCD液晶顯示屏，其具有4位/8位并行、2線或3線串口多種接口方式，內(nèi)部有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。LCD顯示模塊電路如圖6顯示。

圖6 LCD顯示模塊電路Fig.6 LCD display block

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件功能是ARM處理器STM32從串口2接收藍牙模塊采集的數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行處理、比對，然后通過LCD顯示出用戶信息，軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、按鍵程序。數(shù)據(jù)處理子程序的功能是對藍牙模塊采集到的用戶信息進行處理和比對。顯示子程序的功能是將藍牙模塊采集到的用戶信息和比對結(jié)果顯示在顯示屏上。按鍵子程序的功能是設(shè)置PA0，按鍵主要是起到緊急開關(guān)的作用，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，可以通過按鍵控制出入口的開關(guān)。

3.1 主程序

在主程序中，先調(diào)用初始化子程序，完成ARM處理器外設(shè)及串口的初始化[16-18]。藍牙模塊與移動終端連接成功后，藍牙模塊就會將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，處理器以中斷方式接收?shù)據(jù)，檢測到中斷后，進入中斷服務(wù)子程序接收數(shù)據(jù)，判斷是否接收到開始標(biāo)志符‘$’，若不是則重新接收，若是則繼續(xù)接收直至接收到結(jié)束標(biāo)識符‘@’，之后將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，并通過LCD顯示屏顯示出來。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Flow chart of main program

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

NRF51822藍牙模塊與用戶建立連接之后，開始采集用戶數(shù)據(jù)，判斷接收到的第一個數(shù)據(jù)是否是開始標(biāo)志符號‘$’，否則重新開始，如果是則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直至接收到結(jié)束標(biāo)識符‘@’，藍牙模塊完成數(shù)據(jù)的采集，將采集完的數(shù)據(jù)傳送到處理器。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程Fig.8 Flow chart of data collection diagram

4 系統(tǒng)功能測試

在系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)之上，根據(jù)前文所設(shè)計的硬件原理圖，以STM32F103開發(fā)板作為系統(tǒng)主控芯片，其串口2連接藍牙NRF51822模塊，并為各模塊燒寫完成功能所需要的軟件程序，搭建基于藍牙模塊的智能門禁系統(tǒng)原型。用戶在有效范圍內(nèi)（10 m），通過移動終端與藍牙進行通信，從而實現(xiàn)了移動終端對門禁的控制功能。大大提高了系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)語

本文以藍牙微功耗技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合iBeacon服務(wù)體系和STM32F103 ARM處理器以及LCD顯示模塊，設(shè)計了一套基于藍牙技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)。硬件部分主要包括電源電路、藍牙模塊電路、ARM處理器模塊電路、LCD顯示電路等。軟件部分主要包括藍牙信息采集子程序、按鍵處理子程序、顯示子程序等。該系統(tǒng)通過藍牙采集到的移動終端信息，對用戶信息進行準(zhǔn)確的判斷，從而實現(xiàn)了移動終端控制門禁的功能。基于藍牙微功耗技術(shù)進行門禁信息采集具有較高的準(zhǔn)確性、安全性，成本低且便于實現(xiàn)。以ARM處理器STM32芯片作為控制核心具有數(shù)據(jù)處理快速和低功耗等優(yōu)點。本課題以STM32開發(fā)板為平臺進行了軟、硬件的設(shè)計，系統(tǒng)運行正常，滿足各項技術(shù)指標(biāo)要求，可以正常進行數(shù)據(jù)的采集、傳遞和顯示，為門禁系統(tǒng)提供了一種高效、安全的信息采集方式。

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