一種低成本的嵌入式門禁控制器

金鑫，朱金濤，朱中旭

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著電子信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是RFID等技術(shù)的發(fā)展，電子門鎖的應(yīng)用越來越廣泛；這些電子門鎖應(yīng)用便捷、安全性較高[1][2]。部分電子門鎖僅核對卡信息并控制門鎖開關(guān)，而很少存儲用戶開啟門鎖的時(shí)間。同時(shí)，還有部分電子門鎖不提供聯(lián)網(wǎng)功能，其數(shù)據(jù)無法共享，使得整個(gè)門禁系統(tǒng)的管理也受到局限。

門禁系統(tǒng)利用門禁控制器，將分散的電子門鎖聯(lián)網(wǎng)，為建筑物內(nèi)的各類通道口提供安全的智能門禁功能。這種系統(tǒng)不僅可以利用人員身份卡對出入口進(jìn)行控制，還可以記錄出入時(shí)間以實(shí)現(xiàn)更多管理服務(wù)[3]。

目前門禁系統(tǒng)中常用的門禁控制器，多是由PC機(jī)或者工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)，功能較為強(qiáng)大、同時(shí)價(jià)格較高。本文討論了一種基于STM32的、提供簡單Web服務(wù)的、低成本的嵌入式門禁控制器。

1 基于STM32的門禁控制器整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的門禁控制器，采用STM32F407微處理器為核心，利用LAN8720A作為PHY芯片提供以太網(wǎng)接入功能，利用MAX3486提供485總線訪問功能，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化門禁管理?？刂破鞑捎幂p量級的LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供TCP/IP服務(wù)，采用HTML語言，設(shè)計(jì)了門禁信息查詢平臺的交互頁面，并采用SSI技術(shù)以提供服務(wù)器的信息交互[4]。系統(tǒng)主要功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖

控制器利用485模塊，輪詢485總線上的電子門鎖，利用以太網(wǎng)模塊，輪詢局域網(wǎng)內(nèi)的電子門鎖，以驗(yàn)證各個(gè)電子門鎖的正常在線；同時(shí)，各門鎖的開門信息可以通過總線或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至門禁控制器。作為PHY芯片， LAN8720A模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 LAN8720A模塊原理圖

為保存這些門禁信息，控制器在SD卡中實(shí)現(xiàn)了FatFs文件系統(tǒng)。SD模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 SD模塊原理圖

系統(tǒng)在初始化完畢后，利用中斷完成各項(xiàng)功能。主要功能模塊初始化過程如圖4所示。

圖4 主要功能模塊初始化過程圖

2 門禁控制器通信設(shè)計(jì)

為安全起見，門禁控制器設(shè)計(jì)為僅采集各電子門鎖的在線信息、開門信息等，并不控制各門鎖的開關(guān)操作?？紤]到應(yīng)用的兼容性，門禁控制器支持485總線通信與以太網(wǎng)局域網(wǎng)通信。

2.1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

在具體實(shí)現(xiàn)中，控制器記錄的電子門鎖動作時(shí)間設(shè)計(jì)為該信息到達(dá)控制器的時(shí)間?？紤]到485總線為半雙工工作方式，為了保證輪詢的正常進(jìn)行，輪詢期間電子門鎖不能主動上傳開關(guān)信息。為了保證電子門鎖的實(shí)際動作時(shí)間與控制器對該動作的記錄時(shí)間的誤差可控，輪詢時(shí)間需盡量短。為此，系統(tǒng)采用自定義通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式，如圖5所示。

圖5 門禁通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

其中，各域均為1個(gè)字節(jié)長。頭域?yàn)锳AH，表示數(shù)據(jù)開始。類型域?yàn)?、1、2、3，分別表示在線輪詢電子門鎖、電子門鎖信息上報(bào)、控制器命令下發(fā)、上位機(jī)信息查詢等，其中命令下發(fā)的實(shí)現(xiàn)涉及安全，部分電子門鎖不支持。尾域?yàn)?5H，表示數(shù)據(jù)結(jié)束。

當(dāng)類型域?yàn)?時(shí)，表示在線輪詢；地址域?yàn)楸惠喸兊碾娮娱T鎖地址，信息域?yàn)樵撾娮娱T鎖的當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)類型域?yàn)?時(shí)，表示信息上報(bào)；地址域表示發(fā)送信息的電子門鎖地址，信息域表示開啟門鎖的用戶編號。為保證安全，信息上報(bào)時(shí)用戶卡號并不會發(fā)送給門禁控制器，發(fā)送的是該用戶在本門鎖中的用戶編號。

2.2 通信過程

通過修改配置，可以設(shè)定門禁控制器的輪詢時(shí)間間隔，如設(shè)定為1分鐘輪詢一次。在每一輪的輪詢中，首先進(jìn)行的是對485總線上的電子門鎖的輪詢，然后是對以太網(wǎng)上的電子門鎖的輪詢。輪詢時(shí)通訊方式為主從應(yīng)答，門鎖處于等待接收狀態(tài)，不發(fā)送通訊數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；當(dāng)收到控制器發(fā)送的對本地址的通信后，返回一幀應(yīng)答數(shù)據(jù)；當(dāng)收到控制器發(fā)送的對非本地址的通信后，拋棄該數(shù)據(jù)。被輪詢的門鎖對輪詢進(jìn)行回應(yīng)，控制器收到回應(yīng)后輪詢下一門鎖；當(dāng)控制器輪詢超時(shí)后將不回應(yīng)的門鎖視為不在線，并輪詢下一門鎖。

485總線通訊設(shè)置如下：采用異步串行通訊，半雙工方式。速率9600（4800）bps，1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，lsb在前。輪詢超時(shí)為發(fā)送時(shí)間的4倍時(shí)間。當(dāng)速率為9600bps時(shí)，在不多于32部門鎖的情況下，485總線輪詢總時(shí)間不超過1秒。

當(dāng)485總線、以太網(wǎng)均輪詢完畢后，各電子門鎖可以實(shí)時(shí)上報(bào)發(fā)生的開門信息，也可以上報(bào)在輪詢周期內(nèi)未上報(bào)的開門信息，控制器需對收到的信息進(jìn)行回應(yīng)。當(dāng)485總線上的電子門鎖上報(bào)發(fā)生的開門信息時(shí)，其余門鎖檢測到后，在發(fā)送時(shí)間的5倍時(shí)間內(nèi)禁止上報(bào)信息，以防產(chǎn)生沖突。若兩門鎖同時(shí)發(fā)送各自的上報(bào)信息，總線上將產(chǎn)生沖突，其余門鎖檢測到?jīng)_突后，在發(fā)送時(shí)間的5倍時(shí)間內(nèi)禁止上報(bào)信息，以防擴(kuò)大沖突；控制器因校驗(yàn)錯(cuò)誤，將不回應(yīng)；發(fā)生沖突的門鎖在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到控制器回應(yīng)，將隨機(jī)延遲一段時(shí)間并再次發(fā)送其上報(bào)信息。

3 門禁控制器嵌入式Web服務(wù)設(shè)計(jì)

門禁控制器利用LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從支持TCP/IP的電子門鎖中獲取門禁信息；上位機(jī)從控制器中讀取其存儲的門禁信息，讀取當(dāng)前的門鎖狀態(tài)?？刂破鲀?nèi)建WebServer，提供簡單的Web頁面訪問服務(wù)，操作人員可以通過瀏覽器登錄控制器并獲取各門鎖狀態(tài)與門禁信息。

在完成LAN8720A驅(qū)動程序移植、LWIP協(xié)議棧移植之后，系統(tǒng)采用HTML語言編寫web網(wǎng)頁，利用makefsdata.exe生成fsdata.c文件、編譯鏈接進(jìn)系統(tǒng)程序；并采用SSI技術(shù)通過Httpd_cgi_ssi.c文件中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié)束語

本文以STM32F407微處理器為核心，設(shè)計(jì)了一款低成本的門禁控制器，該控制器可以通過485總線、以太網(wǎng)與各個(gè)電子門鎖進(jìn)行通信，獲取門鎖狀態(tài)和開門信息。系統(tǒng)移植了LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，采用HTML語言設(shè)計(jì)了網(wǎng)頁，并利用SSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)頁的信息交互。該門禁控制器與電子門鎖構(gòu)成的門禁系統(tǒng)具有穩(wěn)定性較好、安全性較強(qiáng)、便于二次開發(fā)等特點(diǎn)，能夠支持上位機(jī)進(jìn)行更多功能擴(kuò)展。