兼容TCP/IP協(xié)議的生物識別門(mén)禁系統研究

摘要：針對傳統單機工作的門(mén)禁系統由于不能進(jìn)行Internet通信而無(wú)法滿(mǎn)足集中管理、數據共享、安全性能等更新、更高的要求的問(wèn)題，提出了利用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)將門(mén)禁系統各節點(diǎn)組建成一個(gè)小型局域網(wǎng)進(jìn)行生物識別的方法，實(shí)現對門(mén)禁各節點(diǎn)數據的實(shí)時(shí)更新和遠程傳輸，達到了門(mén)禁系統操作方便、實(shí)時(shí)性強、運行可靠的網(wǎng)絡(luò )化管理的目的。

一、引 言

門(mén)禁系統【1】，又稱(chēng)為出入口控制系統，是安防領(lǐng)域的基礎平臺。隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展，門(mén)禁控制系統不斷朝著(zhù)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用，網(wǎng)絡(luò )化門(mén)禁控制系統已經(jīng)成為門(mén)禁系統的重要發(fā)展方向，而TCP/IP協(xié)議以其獨特的技術(shù)特點(diǎn)成為了網(wǎng)絡(luò )化門(mén)禁系統的首選【2】。利用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通信門(mén)禁系統通過(guò)組建一個(gè)小型的局域網(wǎng)，很容易實(shí)現數據的遠程傳輸和門(mén)禁各節點(diǎn)間的數據交互更新。

本文是利用TCP/IP協(xié)議的生物識別門(mén)禁系統的研究，利用網(wǎng)絡(luò )接口芯片的工作原理實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通訊，對持卡人信息進(jìn)行及時(shí)更新且上傳給上位機進(jìn)行監測，以判斷是否允許進(jìn)入，最終實(shí)現防止刷卡一次多人尾隨進(jìn)入、一卡多刷以及對進(jìn)出人員數據遠程網(wǎng)絡(luò )化管理的目的。

二、系統的總體設計

門(mén)禁系統總體設計由門(mén)禁控制器、網(wǎng)絡(luò )通訊模塊、信號采集模塊、控制機構、調試及仿真接口、RJ-45接口電路等組成。

本系統設計采用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(shí)現門(mén)禁控制器與上位PC機的通信。通過(guò)以太網(wǎng)模塊將門(mén)禁系統各節點(diǎn)整合到一起，且每個(gè)節點(diǎn)都有對應的IP地址，使門(mén)禁各節點(diǎn)與上位機組建成一個(gè)小型局域網(wǎng)，實(shí)現了數據的遠程傳輸和各門(mén)禁節點(diǎn)數據的交互更新。

三、門(mén)禁系統的核心硬件設計

1. 門(mén)禁控制核心

為了使系統的反應時(shí)間及處理能力能較好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，并能在盡量不外擴存儲資源的前提下滿(mǎn)足存儲1000多名用戶(hù)數據的需要，且實(shí)現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帶有豐富的接口、存儲和模塊資源(1.8-3.6V供電電壓;2K RAM ;60 KB+ 256B Flash Memory;兩個(gè) UART 接口;一個(gè) SPI 接口;8通道12-Bit 模數轉換器;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、穩定性、較寬的供電電壓范圍，這些特點(diǎn)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(wù)是完成與外界信息的交互，以實(shí)現門(mén)禁控制器與上位PC機的通信，設計中采用TCP/IP協(xié)議技術(shù)，實(shí)現信息數據的遠距離傳輸和處理。本文采用內部集成了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)及應用【4】有：W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò )接口芯片，內部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統中。它還集成了全硬件的TCP/IP 協(xié)議?！?】、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)得到了多年的驗證。W5100還支持4個(gè)獨立的Socket通信，內部16KB 的發(fā)送/接收緩沖區可快速進(jìn)行數據交換。使用W5100可以實(shí)現沒(méi)有操作系統的Internet 連接，使用時(shí)不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口(Socket)編程。它提供直接并行總線(xiàn)、間接并行總線(xiàn)和SPI 總線(xiàn)3種接口，與MCU 接口非常簡(jiǎn)單，就像訪(fǎng)問(wèn)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(jìn)行數據的接收或發(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(lái)完成數據信號的傳輸和電平隔離作用。利用內部集成了TCP/IP協(xié)議的W5100構成的以太網(wǎng)模塊，操作簡(jiǎn)單，訪(fǎng)問(wèn)其內部的寄存器，就像訪(fǎng)問(wèn)存儲器一樣，只需寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的socket程序即可完成以太網(wǎng)通訊任務(wù)，使電路簡(jiǎn)單、可靠，便于應用。

3. 外圍接口部分電路的設計

該系統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(shí)一定得做好隔離措施，本文采用TLP521光耦來(lái)實(shí)現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(shí)現增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設計的目的。

四、系統軟件設計

1. 無(wú)線(xiàn)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(jìn)行數據通信。本文采用TCP客戶(hù)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、接收數據、發(fā)送數據和超時(shí)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(shí)，調用S0_rx_process將端口接收到的數據緩存到Rx_buffer數組中，并返回接收的數據字節數。當讀完所有的數據后，將S0_RX_RD的值加上讀取的數據長(cháng)度，再寫(xiě)入S0_RX_RD，最后S0_CR寫(xiě)入RECV命令，以等待下次接收數據。但要注意在計算實(shí)際物理偏移量rx_offset時(shí)，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區的大小一致。通過(guò)Socket發(fā)送數據時(shí)，首先把要發(fā)送的數據緩存在Tx_buffer中。發(fā)送時(shí)還需先檢查發(fā)送緩存區的剩余空間的大小，然后控制發(fā)送數據的字節數。在數據發(fā)送處理過(guò)程中，剩余空間的大小將因寫(xiě)入數據而減少，發(fā)送完成后又自動(dòng)增加。把Tx_buffer的數據完全寫(xiě)入端口的發(fā)送數據緩存區后，將端口S0_TX_WR中的值加上寫(xiě)入的數據長(cháng)度，再寫(xiě)入S0_TX_WR，以指示發(fā)送數據的長(cháng)度，最后在S0_CR中寫(xiě)入SEND命令，以啟動(dòng)發(fā)送。

2. 主程序設計

本程序設計首先進(jìn)行初始配置，配置完成后按需要編寫(xiě)數據的發(fā)送或接收程序。

初始化功能模塊是整個(gè)軟件系統設計的基礎，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(shí)鐘、地址寄存器及中斷向量等。通過(guò)設置W5100內部的控制寄存器，靈活創(chuàng )建和選擇TCP套接字來(lái)完成網(wǎng)上的數據交換。

發(fā)送或接收功能負責獨特數據包的生成和發(fā)送。數據的發(fā)送或接收只需對W5100進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口發(fā)送或接收過(guò)程的編程，結合硬件而完成整個(gè)發(fā)送或接收過(guò)程。

3. PC機程序設計

上位管理計算機負責對多個(gè)通道進(jìn)行管理，包括人機界面，控制電路參數設置，數據庫的存儲和更新，同步多個(gè)控制電路內的數據庫。PC機管理軟件是在Windows XP操作平臺上利用Visual C++6.0【6】開(kāi)發(fā)的，運用多線(xiàn)程的技術(shù)，主線(xiàn)程主要包括數據庫管理、報警等模塊;輔線(xiàn)程采用Socket編程在后臺運行，自動(dòng)進(jìn)行數據的接收、分離、插入數據庫的操作，使系統具有友好的人機交互界面，顯示直觀(guān)，操作方便。

五、結束語(yǔ)

本系統是兼容TCP/IP協(xié)議的生物識別門(mén)禁系統，已投入實(shí)際運行，操作簡(jiǎn)單、穩定、可靠、實(shí)時(shí)性強。系統設計開(kāi)發(fā)過(guò)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(gè)以太網(wǎng)通訊模塊，使得整體系統的開(kāi)發(fā)難度大為降低，同時(shí)也提高了系統整體的穩定性和集成度，使得MSP430F149單片機控制核心能以較為豐富的資源專(zhuān)注于處理控制任務(wù)而不必去處理TCP/IP協(xié)議完成通訊，提高了系統的實(shí)時(shí)性能，最終實(shí)現了生物識別門(mén)禁系統安全設計，具有較強的實(shí)用價(jià)值和推廣性。