摘要：針對傳統(tǒng)單機(jī)工作的門禁系統(tǒng)由于不能進(jìn)行Internet通信而無法滿足集中管理、數(shù)據(jù)共享、安全性能等更新、更高的要求的問題，提出了利用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)將門禁系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)組建成一個小型局域網(wǎng)進(jìn)行生物識別的方法，實(shí)現(xiàn)對門禁各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時更新和遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到了門禁系統(tǒng)操作方便、實(shí)時性強(qiáng)、運(yùn)行可靠的網(wǎng)絡(luò)化管理的目的。

一、引 言

門禁系統(tǒng)【1】，又稱為出入口控制系統(tǒng)，是安防領(lǐng)域的基礎(chǔ)平臺。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，門禁控制系統(tǒng)不斷朝著集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。由于Internet網(wǎng)和以太網(wǎng)在全世界范圍的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化門禁控制系統(tǒng)已經(jīng)成為門禁系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，而TCP/IP協(xié)議以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)成為了網(wǎng)絡(luò)化門禁系統(tǒng)的首選【2】。利用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信門禁系統(tǒng)通過組建一個小型的局域網(wǎng)，很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和門禁各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互更新。

本文是利用TCP/IP協(xié)議的生物識別門禁系統(tǒng)的研究，利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片的工作原理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，對持卡人信息進(jìn)行及時更新且上傳給上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，以判斷是否允許進(jìn)入，最終實(shí)現(xiàn)防止刷卡一次多人尾隨進(jìn)入、一卡多刷以及對進(jìn)出人員數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理的目的。

二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由門禁控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、信號采集模塊、控制機(jī)構(gòu)、調(diào)試及仿真接口、RJ-45接口電路等組成。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用16位單片機(jī)MSP430F149作為控制核心，以集成TCP/IP協(xié)議的W5100芯片搭建以太網(wǎng)通訊模塊，利用以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)門禁控制器與上位PC機(jī)的通信。通過以太網(wǎng)模塊將門禁系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)整合到一起，且每個節(jié)點(diǎn)都有對應(yīng)的IP地址，使門禁各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)組建成一個小型局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和各門禁節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交互更新。

三、門禁系統(tǒng)的核心硬件設(shè)計(jì)

1. 門禁控制核心

為了使系統(tǒng)的反應(yīng)時間及處理能力能較好地滿足實(shí)時性要求，并能在盡量不外擴(kuò)存儲資源的前提下滿足存儲1000多名用戶數(shù)據(jù)的需要，且實(shí)現(xiàn)外圍需要外接多種接口的傳感器、通訊模塊等資源的目的，本文選擇了TI公司的16位單片機(jī)MSP430F149【3】。MSP430F149不僅處理速度較快且?guī)в胸S富的接口、存儲和模塊資源(1.8-3.6V供電電壓;2K RAM ;60 KB+ 256B Flash Memory;兩個 UART 接口;一個 SPI 接口;8通道12-Bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器;P1、P2外部中斷復(fù)用;高速捕獲/比較寄存器;硬件乘法器;溫度傳感器等)，而且其抗干擾性能、穩(wěn)定性、較寬的供電電壓范圍，這些特點(diǎn)能很好地適應(yīng)于較為苛刻惡劣的環(huán)境。

2. 以太網(wǎng)通訊模塊

該模塊的主要任務(wù)是完成與外界信息的交互，以實(shí)現(xiàn)門禁控制器與上位PC機(jī)的通信，設(shè)計(jì)中采用TCP/IP協(xié)議技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和處理。本文采用內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議的W5100網(wǎng)絡(luò)接口芯片作為以太網(wǎng)通信模塊的控制核心。

W5100的主要特點(diǎn)及應(yīng)用【4】有：W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。它還集成了全硬件的TCP/IP 協(xié)議棧【5】、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。硬件TCP/IP 協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPOE，這些協(xié)議已經(jīng)得到了多年的驗(yàn)證。W5100還支持4個獨(dú)立的Socket通信，內(nèi)部16KB 的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet 連接，使用時不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡單的端口(Socket)編程。它提供直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線3種接口，與MCU 接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣;支持3.3V 工作電壓，I/O 口可承受5V 電壓，便于和普通單片機(jī)的連接通訊。

在接口電路中，以太網(wǎng)芯片W5100利用SPI接口與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。將網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100的以太網(wǎng)物理層信號管腳RXIP、RXIN、TXOP、TXON與網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行純硬件連接，來完成數(shù)據(jù)信號的傳輸和電平隔離作用。利用內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議的W5100構(gòu)成的以太網(wǎng)模塊，操作簡單，訪問其內(nèi)部的寄存器，就像訪問存儲器一樣，只需寫一些簡單的socket程序即可完成以太網(wǎng)通訊任務(wù)，使電路簡單、可靠，便于應(yīng)用。

3. 外圍接口部分電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中需要接入多種傳感器信號、韋根信號以及要輸出控制繼電器等，這些輸入信號和控制信號的供電范圍各不相同且繼電器之間的電磁干擾也比較嚴(yán)重，對重量傳感信號的采集極為不利。因此在設(shè)計(jì)這些接口部分時一定得做好隔離措施，本文采用TLP521光耦來實(shí)現(xiàn)各種信號的隔離輸入和輸出。

TLP521這種可控制的光電耦合器件廣泛應(yīng)用在電路之間的信號傳輸，使前端與負(fù)載完全隔離，以實(shí)現(xiàn)增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計(jì)的目的。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1. 無線通信模塊軟件的設(shè)計(jì)

TCP是面向連接的通信方式，首先必須建立連接，然后利用IP地址和端口號進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文采用TCP客戶模式，在建立TCP連接之前，需要初始化端口。在設(shè)計(jì)中，W5100產(chǎn)生的建立連接、終止連接、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和超時等事件，都可以從中斷狀態(tài)中獲得。

當(dāng)端口產(chǎn)生接收中斷時，調(diào)用S0_rx_process將端口接收到的數(shù)據(jù)緩存到Rx_buffer數(shù)組中，并返回接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。當(dāng)讀完所有的數(shù)據(jù)后，將S0_RX_RD的值加上讀取的數(shù)據(jù)長度，再寫入S0_RX_RD，最后S0_CR寫入RECV命令，以等待下次接收數(shù)據(jù)。但要注意在計(jì)算實(shí)際物理偏移量rx_offset時，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區(qū)的大小一致。通過Socket發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存在Tx_buffer中。發(fā)送時還需先檢查發(fā)送緩存區(qū)的剩余空間的大小，然后控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送處理過程中，剩余空間的大小將因?qū)懭霐?shù)據(jù)而減少，發(fā)送完成后又自動增加。把Tx_buffer的數(shù)據(jù)完全寫入端口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)后，將端口S0_TX_WR中的值加上寫入的數(shù)據(jù)長度，再寫入S0_TX_WR，以指示發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，最后在S0_CR中寫入SEND命令，以啟動發(fā)送。

2. 主程序設(shè)計(jì)

本程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)行初始配置，配置完成后按需要編寫數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收程序。

初始化功能模塊是整個軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括MSP430F149的初始化和W5100的初始化。主要有：合理配置I/O，設(shè)置繼電器狀態(tài)、工作模式、時鐘、地址寄存器及中斷向量等。通過設(shè)置W5100內(nèi)部的控制寄存器，靈活創(chuàng)建和選擇TCP套接字來完成網(wǎng)上的數(shù)據(jù)交換。

發(fā)送或接收功能負(fù)責(zé)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)包的生成和發(fā)送。數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收只需對W5100進(jìn)行簡單的端口發(fā)送或接收過程的編程，結(jié)合硬件而完成整個發(fā)送或接收過程。

3. PC機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)對多個通道進(jìn)行管理，包括人機(jī)界面，控制電路參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)庫的存儲和更新，同步多個控制電路內(nèi)的數(shù)據(jù)庫。PC機(jī)管理軟件是在Windows XP操作平臺上利用Visual C++6.0【6】開發(fā)的，運(yùn)用多線程的技術(shù)，主線程主要包括數(shù)據(jù)庫管理、報(bào)警等模塊;輔線程采用Socket編程在后臺運(yùn)行，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、分離、插入數(shù)據(jù)庫的操作，使系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，顯示直觀，操作方便。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)是兼容TCP/IP協(xié)議的生物識別門禁系統(tǒng)，已投入實(shí)際運(yùn)行，操作簡單、穩(wěn)定、可靠、實(shí)時性強(qiáng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中充分運(yùn)用了軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思想，各部分盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，采用了MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，采用W5100芯片搭建整個以太網(wǎng)通訊模塊，使得整體系統(tǒng)的開發(fā)難度大為降低，同時也提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和集成度，使得MSP430F149單片機(jī)控制核心能以較為豐富的資源專注于處理控制任務(wù)而不必去處理TCP/IP協(xié)議完成通訊，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性能，最終實(shí)現(xiàn)了生物識別門禁系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值和推廣性。