張永宏, 曹 健, 王麗華

(南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院, 江蘇 南京, 210044)

門禁系統(tǒng)是一種以預(yù)防損失、預(yù)防犯罪為主要目的,用來保護(hù)人員和財產(chǎn)安全的現(xiàn)代化安防手段[1]．隨著科技的進(jìn)步,門禁系統(tǒng)從機械鎖具發(fā)展到電子門禁,從單獨的門禁系統(tǒng)發(fā)展到報警一體化,從單個門禁控制發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)互連[2]．目前市場上流行的門禁系統(tǒng)一般為有線傳輸方式,其擴展性和經(jīng)濟性不高,根據(jù)市場前景預(yù)測和需求分析,無線門禁系統(tǒng)無疑更適用于要求日益提高的安防產(chǎn)業(yè)．相比于有線門禁系統(tǒng),無線門禁系統(tǒng)有以下幾個特點[3]:① 安裝、操作和維護(hù)簡單方便；② 無線網(wǎng)絡(luò)具有可移動性，能滿足在布線困難情況下門禁控制的需要；③ 無線門禁設(shè)備的花費更少;④ 無線系統(tǒng)成本較低,價格低,市場范圍也相應(yīng)較廣;⑤ 系統(tǒng)采用分布式控制方式,區(qū)域控制器具有存儲和獨立工作的能力,管理系統(tǒng)的故障不會影響每個獨立工作區(qū)域的正常運行;⑥ 無線門禁需求可隨時間及功能需求改變而升級.

文中基于51單片機和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF24L01,設(shè)計了一種無線門禁控制系統(tǒng),該系統(tǒng)成本低,方案簡單,擴展性好．通過人臉識別上位機系統(tǒng),能夠?qū)崟r檢測和識別來訪者身份．如果數(shù)據(jù)庫中包含來訪者信息,則步進(jìn)電機打開門鎖,LCD顯示來訪者信息;否則,步進(jìn)電機不轉(zhuǎn)動,報警器報警,LCD顯示報警信息．

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由PC端軟件系統(tǒng),發(fā)送端,無線數(shù)據(jù)傳送模塊和接收端組成,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System block diagram

PC端軟件主要是檢測和識別來訪者身份信息,并將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀形式,通過RS232串口傳送給發(fā)送端．發(fā)送端完成數(shù)據(jù)幀的加密、無線模塊初始化和數(shù)據(jù)幀的發(fā)送．接收端完成數(shù)據(jù)幀的接收、解密和數(shù)據(jù)幀的命令響應(yīng),并且控制門禁系統(tǒng)．

1.2 發(fā)送端和接收端硬件設(shè)計

發(fā)送端和接收端采用的控制芯片是STC公司生產(chǎn)的89C52RC單片機,這是新一代高速,低功耗,超強干擾的單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,12時鐘周期,采用11.059 2 MHz外部晶振起振,工作電壓為3.8V～5.5V,DIP40封裝,內(nèi)部集成EEPROM,用戶應(yīng)用程序空間為8K,支持ISP下載程序[4]．

除了上述主控芯片外,還要預(yù)留必要的功能模塊驅(qū)動接口,主要包括:nRF24L01無線射頻芯片接口,步進(jìn)電機接口,LCD液晶接口和其他的外部擴展接口．

nRF24L01無線射頻芯片接口共有8個引腳,分別為GND,VCC,CE,CSN,SCK,MOSI,MISO和IRQ[5],其中GND為電源地,VCC為3.3V工作電壓,IRQ為外部中斷引腳,其余為芯片的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳．采用USB供電,電壓約為5V,所以需要將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓．電源轉(zhuǎn)換電路主要采用AMS1117-3.3芯片,它是一個正向低壓降穩(wěn)壓器,具有1%的有效精度,電路設(shè)計如圖2[6]．

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計Fig.2 Design of the power conversion circuit

圖2中AMS1117-3.3芯片VIN引腳接5V電壓,VOUT輸出3.3V電壓．加入CJ3極性電容,用于去除穩(wěn)壓前后電路中的紋波．

nRF24L01無線射頻芯片的接口電路設(shè)計如圖3．

圖3 nRF24L01接口設(shè)計Fig.3 Design of nRF24L01 interface

圖3中nRF24L01射頻模塊的CE,SCK,MISO,MOSI,CSN外接1K電阻與單片機P2口連接,IRQ外接1K電阻與單片機外部中斷引腳連接,每發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)后都會觸發(fā)單片機外部中斷．

步進(jìn)電機接口為6引腳,其中VDD為5V電壓,GND為電源地,其余為步進(jìn)電機勵磁引腳,分別與單片機P1口連接,由P1口提供勵磁脈沖．

液晶屏采用LCD12864,其供電電壓為4.5V～5V,工作電流為3mA,內(nèi)部集成字庫．2,3引腳外接2K電位器,用于調(diào)節(jié)屏幕背光亮度,其余為數(shù)據(jù)和控制引腳．電路設(shè)計如圖4．

圖4 LCD12864接口設(shè)計Fig.4 Design of LCD12864 interface

采用AltiumDesigner設(shè)計的發(fā)射端和接收端PCB如圖5所示．圖5中PCB設(shè)計時擴展出主要的IO口和電源口,便于在本文基礎(chǔ)上做進(jìn)一步開發(fā)．

圖5 PCB設(shè)計Fig.5 PCB design

1.3 nRF24L01硬件設(shè)計

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片．無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM[7-8]模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器．輸出功率、頻道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過SPI接口設(shè)置．發(fā)射模式下功率-6dBm時電流為9mA,接收模式時為12.3mA,掉電模式和待機模式下電流消耗更低．電路設(shè)計如圖6．

圖6 nRF24L01外部電路設(shè)計Fig.6 Design of nRF24L01 peripherals circuit

文中nRF24L01無線收發(fā)模塊采用PCB內(nèi)置天線,最大傳輸距離30 m,支持多頻點和多信道通信[9-10]．

1.4 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計

步進(jìn)電機為28BYJ-48型五線四項八拍型,工作電壓為直流5V～12V,正常工作需要一系列連續(xù)不斷的激勵脈沖．由于單片機IO口提供的脈沖信號不夠大,需要外加ULN2003信號放大電路,電路設(shè)計如圖7．圖中JP2連接步進(jìn)電機IO口,JP3連接到單片機IO口．

圖7 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計Fig.7 Design of stepper motor driver circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 nRF24L01軟件設(shè)計

nRF24L01芯片通過設(shè)置配置寄存器中PWR-UP位和PRIM-RX位以及CE引腳的電平來控制其工作模式,具體如表1．

表1 nRF24L01主要的工作模式Table 1 Main operation mode of nRF24L01

文中主要利用前3種工作模式,發(fā)送端或接收端檢測到各自數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時,由待機模式進(jìn)入發(fā)送或接收模式,數(shù)據(jù)處理完畢將狀態(tài)寄存器TX-DS或RX-DR位置高,IRQ引腳產(chǎn)生中斷,此時由發(fā)送或接收模式進(jìn)入待機模式,等待數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),IRQ中斷后要通過單片機寫狀態(tài)寄存器來復(fù)位．

nRF24L01數(shù)據(jù)發(fā)送或接收主要通過SPI接口實現(xiàn),采用STC89C52RC單片機IO口模擬出SPI接口的工作時序,SPI讀寫時序如圖8，9.

圖8 SPI讀時序Fig.8 SPI read timing

圖9 SPI寫時序Fig.9 SPI write timing

SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口,同步串行3線方式進(jìn)行通信:一條時鐘線SCK,一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI,一條數(shù)據(jù)輸出線MISO．SPI主要特點:可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當(dāng)作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志;寫沖突和總線競爭保護(hù)等．每一個時鐘周期通過檢測上升沿和下降沿完成兩個寄存器8位數(shù)據(jù)交換,遵循上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送的原則．

完成芯片基本功能后需要對芯片進(jìn)行初始化,保證發(fā)送端和接收端的地址寬度,信道工作頻率,發(fā)射和接收速率以及功率一致．文中對nRF24L01芯片初始化過程如表2.

表2 nRF24L01初始化Table 2 Initialization of nRF24L01

數(shù)據(jù)通道0有40位可配地址,當(dāng)從一個數(shù)據(jù)通道中接收到數(shù)據(jù),并且此數(shù)據(jù)通道設(shè)置為應(yīng)答方式的話,則nRF24L01在收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應(yīng)答信號,此應(yīng)答信號的目標(biāo)地址為接收通道地址．?dāng)?shù)據(jù)通道0地址設(shè)置如圖10．

圖10 通道0設(shè)置Fig.10 Channel 0 set

系統(tǒng)有一個發(fā)射端和多個接收端,所以采用的通信協(xié)議要簡單可靠,在SchockBurstTM協(xié)議[10]的基礎(chǔ)上將文中通信協(xié)議設(shè)置成：

前導(dǎo)碼地址(5Byte)有效數(shù)據(jù)CRC校驗

前導(dǎo)碼用來檢測0和1,芯片在接收模式下去除前導(dǎo)碼,發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼．地址5字節(jié),內(nèi)容為接收地址,可以對發(fā)送信道和接收信道分別進(jìn)行設(shè)置,接收端從接收的數(shù)據(jù)包中自動去除地址,所有地址在門禁系統(tǒng)中都是唯一的．有效發(fā)送數(shù)據(jù)最大為15字節(jié)．CRC校驗位16bit．所有接收端都將接收帶地址碼的數(shù)據(jù)幀,并將接收地址與本地地址進(jìn)行比較,如相同則再分別驗證前導(dǎo)碼和CRC校驗碼,如還相同則將有效數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中再進(jìn)行處理．

2.2 步進(jìn)電機軟件設(shè)計

步進(jìn)電機有三線式、五線式和六線式,但其控制方式均相同,都要以脈沖信號電流來驅(qū)動．

步進(jìn)電機的勵磁方式分為全步勵磁和半步勵磁．其中全步勵磁又分為一相勵磁和二相勵磁,半步勵磁又稱一二相勵磁．文中步進(jìn)電機為五線四項八拍電機,考慮到門禁系統(tǒng)的對實時性和快速性的要求,因此,采用二相勵磁方式,其主要特點是:輸出轉(zhuǎn)矩大,振動小．勵磁順序如表3．

表3 步進(jìn)電機勵磁順序表Table 3 Excitation sequence table of stepper motor

表3中勵磁順序為1→2→3→4→1循環(huán)勵磁,其中A，B，C，D分別對應(yīng)于步進(jìn)電機的勵磁引腳．

單片機控制步進(jìn)電機的部分程序如下:

unsigned char code table1[]={0x09,0x0c,0x06,0x03};

void Step-driver()

{

uchar i,j;

uchar maichong=2;

for(j=0;j<4;j++)

{

P1=table1[j];

for(i=0;i

{

delay-us(150);

}

}

}

根據(jù)實驗結(jié)果,如果采用上述勵磁規(guī)則,每個勵磁周期能使步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)2°,打開門鎖需要旋轉(zhuǎn)3周左右,大約需要500個脈沖．文中STC89C52RC單片機外部晶振為11.059 2MHz,其指令周期約為2us,加入時間控制函數(shù)如下：

void time-control()

{

uchar k;

for(k=0;k<500;k++)

Step-driver();

}

2.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和加密

發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀包含了識別信息和門禁控制信息,考慮到門禁系統(tǒng)的安全性,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)幀加密和解密[11]．?dāng)?shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

姓名(6Byte)身份(6Byte)門禁控制(1Byte)停止位(1Byte)

數(shù)據(jù)幀總長度為14字節(jié),前6個字節(jié)為來訪者姓名,7～12字節(jié)為來訪者身份信息,前12字節(jié)以漢字形式最終顯示在12 864液晶屏上,每個漢字占用2字節(jié)．門禁控制包括步進(jìn)電機控制、報警控制和顯示控制,占用一個字節(jié)空間．最后包含一個字節(jié)的停止位,主要作用是標(biāo)記RS232數(shù)據(jù)傳送截止．

數(shù)據(jù)加密過程由于是在單片機端完成,考慮到本文單片機晶振只有11.059 2 HMz,所以加密過程要簡單有效．綜合考慮,采用12字節(jié)密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行異或加密和解密．對數(shù)據(jù)幀中除停止位外,采用12字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)行按位異或運算．加密密鑰和解密密鑰同時并存于發(fā)送端和接收端單片機的程序存儲區(qū)內(nèi)．?dāng)?shù)據(jù)幀在發(fā)送端經(jīng)過12字節(jié)密鑰加密后發(fā)送,在收端接利用12字節(jié)密鑰再對數(shù)據(jù)進(jìn)行按位異或解密,對解密后的數(shù)據(jù)由單片機進(jìn)行命令響應(yīng),由此來控制整個門禁系統(tǒng)．

3 實驗結(jié)果

通過對整個門禁控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計,做出測試樣品,并且經(jīng)過10組,每組30次測試,證明該門禁系統(tǒng)具有較好的控制能力．在有障礙物(如墻壁等)遮擋的情況下,10 m距離以內(nèi),數(shù)據(jù)幀從發(fā)送到門禁控制系統(tǒng)響應(yīng)平均用時1.4～2.5 s,數(shù)據(jù)幀傳送錯誤率平均在1.67%,即有5組測試中出現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)幀傳送錯誤．門禁控制系統(tǒng)設(shè)計如圖11．

圖11 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計Fig.11 Design of door-guard control system

4 結(jié)論

通過多次大量分組實驗,證明文中設(shè)計的無線門禁系統(tǒng)有較好的實時性和準(zhǔn)確性,在有障礙物條件下,數(shù)據(jù)傳輸也能滿足實用性要求,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)．

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