兼容TCP/IP協(xié)議的生物識別門禁系統(tǒng)研究

摘要：針對傳統(tǒng)單機工作的門禁系統(tǒng)由于不能進行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)技術將門禁系統(tǒng)各節(jié)點組建成一個小型局域網(wǎng)進行生物識別的方法，實現(xiàn)對門禁各節(jié)點數(shù)據(jù)的實時更新和遠程傳輸，達到了門禁系統(tǒng)操作方便、實時性強、運行可靠的網(wǎng)絡化管理的目的。

一、引 言

門禁系統(tǒng)【1】，又稱為出入口控制系統(tǒng)，是安防領域的基礎平臺。隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(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用，網(wǎng)絡化門禁控制系統(tǒng)已經(jīng)成為門禁系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，而TCP/IP協(xié)議以其獨特的技術特點成為了網(wǎng)絡化門禁系統(tǒng)的首選【2】。利用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信門禁系統(tǒng)通過組建一個小型的局域網(wǎng)，很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和門禁各節(jié)點間的數(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)絡接口芯片的工作原理實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊，對持卡人信息進行及時更新且上傳給上位機進行監(jiān)測，以判斷是否允許進入，最終實現(xiàn)防止刷卡一次多人尾隨進入、一卡多刷以及對進出人員數(shù)據(jù)遠程網(wǎng)絡化管理的目的。

二、系統(tǒng)的總體設計

門禁系統(tǒng)總體設計由門禁控制器、網(wǎng)絡通訊模塊、信號采集模塊、控制機構、調(diào)試及仿真接口、RJ-45接口電路等組成。

本系統(tǒng)設計采用16位單片機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)通信模塊實現(xiàn)門禁控制器與上位PC機的通信。通過以太網(wǎng)模塊將門禁系統(tǒng)各節(jié)點整合到一起，且每個節(jié)點都有對應的IP地址，使門禁各節(jié)點與上位機組建成一個小型局域網(wǎng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸和各門禁節(jié)點數(shù)據(jù)的交互更新。

三、門禁系統(tǒng)的核心硬件設計

1. 門禁控制核心

為了使系統(tǒng)的反應時間及處理能力能較好地滿足實時性要求，并能在盡量不外擴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)轉換器;P1、P2外部中斷復用;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，這些特點能很好地適應于較為苛刻惡劣的環(huán)境。

2. 以太網(wǎng)通訊模塊

該模塊的主要任務是完成與外界信息的交互，以實現(xiàn)門禁控制器與上位PC機的通信，設計中采用TCP/IP協(xié)議技術，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠距離傳輸和處理。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的主要特點及應用【4】有：W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應用于高集成、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)得到了多年的驗證。W5100還支持4個獨立的Socket通信，內(nèi)部16KB 的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進行數(shù)據(jù)交換。使用W5100可以實現(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接口與單片機連接進行數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。將網(wǎng)絡接口芯片W5100的以太網(wǎng)物理層信號管腳RXIP、RXIN、TXOP、TXON與網(wǎng)絡變壓器進行純硬件連接，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，使電路簡單、可靠，便于應用。

3. 外圍接口部分電路的設計

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重，對重量傳感信號的采集極為不利。因此在設計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用在電路之間的信號傳輸，使前端與負載完全隔離，以實現(xiàn)增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設計的目的。

四、系統(tǒng)軟件設計

1. 無線通信模塊軟件的設計

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。在設計中，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)。但要注意在計算實際物理偏移量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寫入數(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. 主程序設計

本程序設計首先進行初始配置，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)設計的基礎，包括MSP430F149的初始化和W5100的初始化。主要有：合理配置I/O，設置繼電器狀態(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)送或接收功能負責獨特數(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進行簡單的端口發(fā)送或接收過程的編程，結合硬件而完成整個發(fā)送或接收過程。

3. PC機程序設計

上位管理計算機負責對多個通道進行管理，包括人機界面，控制電路參數(shù)設置，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，運用多線程的技術，主線程主要包括數(shù)據(jù)庫管理、報警等模塊;輔線程采用Socket編程在后臺運行，自動進行數(shù)據(jù)的接收、分離、插入數(shù)據(jù)庫的操作，使系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，顯示直觀，操作方便。

五、結束語

本系統(tǒng)是兼容TCP/IP協(xié)議的生物識別門禁系統(tǒng)，已投入實際運行，操作簡單、穩(wěn)定、可靠、實時性強。系統(tǒng)設計開發(fā)過程中充分運用了軟硬件協(xié)同的設計思想，各部分盡量采用模塊化設計，采用了MSP430F149單片機作為控制核心，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單片機控制核心能以較為豐富的資源專注于處理控制任務而不必去處理TCP/IP協(xié)議完成通訊，提高了系統(tǒng)的實時性能，最終實現(xiàn)了生物識別門禁系統(tǒng)安全設計，具有較強的實用價值和推廣性。