梁祥瑩,嚴　輝

(安徽建筑大學 電子與信息工程學院，安徽 合肥 230022)

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基于CAN總線的智能門禁系統(tǒng)的研發(fā)

梁祥瑩,嚴輝

(安徽建筑大學 電子與信息工程學院，安徽 合肥 230022)

摘要：針對智能建筑門禁系統(tǒng)的管理需求，設計基于CAN總線的智能門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有技術成熟，穩(wěn)定可靠的特點。樣機測試表明，系統(tǒng)各項主要功能均達到要求，具有低成本和更人性化的優(yōu)勢，有助于門禁系統(tǒng)智能化的發(fā)展。

關鍵詞：CAN；門禁系統(tǒng)；智能建筑；智能監(jiān)控

0引言

門禁系統(tǒng)又稱出入管理控制系統(tǒng)(Access Control System)。這是一種新型的現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，它集微機自動識別技術和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機械、光學、計算機技術、通訊技術等諸多新技術，是解決重要部門出入口實現(xiàn)安全防范管理的有效措施。在我國，隨著建筑智能化的發(fā)展，為用戶提供一個高效、舒適的工作與生活環(huán)境[1]已成為相關行業(yè)從業(yè)人員的目標。本文介紹了一種以AT89S52微處理器為控制核心，采用1-wire總線加密存儲器型信息紐扣作為識別卡，以CAN總線協(xié)議與上位機通訊的具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能通過對出入口的權限控制實現(xiàn)變被動防守為主動控制，且其智能化程度的提高，大大減輕了傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)中物業(yè)管理人員識別進出人員、手動管理后臺系統(tǒng)的工作量，能有效提高管理的效率，有助于實現(xiàn)管理的有序化[2]。本系統(tǒng)實現(xiàn)了門禁管理的硬件和軟件設計，并完成了樣機的制作。

1CAN總線特點

由德國博世公司開發(fā)的CAN通信網(wǎng)絡(Control Area Network, CAN)是一種用于解決汽車領域中的測控應用的高性能串行通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡具有成本低廉、實時性好、工作可靠等優(yōu)點，隸屬于現(xiàn)場總線的范疇。該網(wǎng)絡有效支持實時控制的串行通訊[3]，可以根據(jù)需要構成多主系統(tǒng)。其最大的特點是用一種對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼的方法取代站地址編碼的方法，這樣可使得網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。用戶可定義2個(或2個以上)不同的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位(或29位)二進制數(shù)組成，這種方法使不同的節(jié)點能同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長度可至8個字節(jié)，其獨有的短幀結構減少了外界的干擾，占用總線時間較短，從而確保通信的實時性。此特性適應了工業(yè)領域中有關控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。CAN總線在糾錯能力上有傳統(tǒng)的BITBUS和RS-485等網(wǎng)絡所不具備的明顯優(yōu)勢。這一優(yōu)勢使得采用CAN總線的系統(tǒng)具有更好的可靠性、實時性和開放性[4]。

2總體方案設計

本論文介紹的智能門禁控制系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對小區(qū)進出通道的權限、方式、時段的管理，具有實時監(jiān)控、出入記錄查詢和異常報警等功能。本系統(tǒng)由3大模塊組成，分別為：主控制器模塊、CAN通信模塊和存儲器模塊。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1控制系統(tǒng)結構圖

2.1主控制模塊設計

主控制器模塊以AT89S52單片機為核心，還包含有讀卡器模塊和CAN通信模塊。該模塊實現(xiàn)對卡號的自動獲取、讀卡時間、開門信息、持卡人身份、報警等信息的獲取并能存儲信息，以供查詢、統(tǒng)和處理，并最終生成各種報表。該模塊還可以通過CAN總線將上述數(shù)據(jù)傳送到主機，便于物業(yè)管理人員進行集中管理[5]。主控模塊具體能實現(xiàn)的功能如下：

①可存儲100張有效識別卡的使用情況，每張有效識別卡的存儲使用記錄為30條，循環(huán)覆蓋。此外，該門控系統(tǒng)的核心功能還包括：新建新用戶、刪除歷史記錄、提供查詢、顯示、異常報警等管理功能。

②采用1-wire總線加密存儲器型信息紐扣作為識別卡，識別卡需經(jīng)授權，只有授權卡能夠開鎖，未授權的識別卡開鎖時將發(fā)出聲、光報警；

③具有CAN通信接口，完成與上位機的數(shù)據(jù)通信。充分利用CAN的分布式控制的優(yōu)點，便于組網(wǎng)和控制，實現(xiàn)分布管理，集中控制。

2.2CAN通信模塊設計

以獨立的CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)驅動器PCA82C250為核心的CAN通信模塊，主要完成讀卡控制器與上位機的數(shù)據(jù)信息傳送功能?？梢越邮丈衔粰C發(fā)來的控制命令，執(zhí)行參數(shù)設置、開鎖等操作[6]。CAN控制器SJA1000，是一種獨立的CAN控制器。主要在區(qū)域網(wǎng)絡控制和移動目標中得到廣泛應用。這種控制器增加了CAN新的操作模式：PeliCAN。該模式支持CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000還具有擴展的接收緩沖器(64字節(jié))，通信速率最高可達1 Mbps，適用于不同的微處理器。

系統(tǒng)硬件電路由三部分組成，分別是：微控制器AT89S52、獨立CAN控制器SJA1000、CAN總線驅動器PCA82C250。其中微控制器AT89S52完成對SJA1000的初始化設置，并通過控制SJA1000完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等通信任務。CAN總線驅動器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口電路，它用于提供對總線的差分發(fā)送和接收。

CAN控制模塊和通信模塊結構圖如圖2所示。

圖2CAN控制和通信模塊

2.3存儲電路設計

針對讀卡控制器需要具有增加、刪除用戶卡并能存儲100張有效識別卡的使用需求，本系統(tǒng)選用I2C總線結構的串行CMOS E2PROM存儲芯片CAT24WC256。該芯片占用單片機I/O口少，節(jié)省系統(tǒng)資源且具有功耗低，掉電仍然可以保存數(shù)據(jù)的功能，滿足本系統(tǒng)的設計需求且電路結構簡單。

3CAN通信模塊軟件設計

CAN通信模塊的軟件設計主要包括CAN的初始化、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送三部分。CAN的初始化在SJA1000進入復位狀態(tài)后進行，主要是對SJA1000的內部寄存器進行配置。配置的寄存器包括：控制寄存器CR(其內容用于改變SJA1000的狀態(tài)，控制位可被微控制器置位和復位)、驗收碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR(這兩個寄存器用于設置驗收濾波器)、時鐘分頻寄存器CDR(控制CLKOUT的輸出頻率，選擇BasicCAN模式或PeliCAN模式)、總線時序寄存器BTRO(其內容定義了波特率預置器BRP和同步跳轉寬度SJW的值)、總線時序寄存器BTRI(其內容定義了定位周期寬度，采樣點的位置和在每個采樣點獲取采樣的數(shù)目)、輸出控制寄存器OCR(由軟件控制建立不同的輸出驅動配置:雙向輸出模式、測試輸出模式、正常輸出模式和時鐘輸出模式)。

3.1CAN主程序

CAN通信模塊的工作過程是：主控制器上電復位后控制SJA1000開始工作之前，通過讀寫測試寄存器來判斷SJA1000與單片機的連接是否正確。連接正常即進入復位模式，進行初始化操作，并使SJA1000進入工作模式。SJA1000按照上次退出復位模式時的模式工作，直到芯片再次復位，改變設定的值，CAN主程序流程圖如3所示。

圖3CAN主程序流程圖

3.2CAN發(fā)送子程序

發(fā)送子程序負責將讀卡控制器報文發(fā)送至上位機。其發(fā)送給上位機或其它節(jié)點的內容主要是本節(jié)點的數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)。

通常，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要判斷SJA1000是否處于允許發(fā)送的狀態(tài)。啟動一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程前需要完成的工作有：將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式組合成一幀報文；將組合好的報文送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)；③對SJA1000寫發(fā)送指令。

3.3CAN接收子程序

接收子程序負責控制節(jié)點接收報文。被接收的報文可能是上位機發(fā)來數(shù)據(jù)請求、參數(shù)修改命令、原始配置數(shù)據(jù)等，也可能是其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。接收報文時要處理總線關閉、錯誤報警、接收溢出等異常情況進行。SJA1000報文的接收有中斷接收和查詢接收兩種方式。本系統(tǒng)采用實時性強、節(jié)省資源的中斷方式。

4樣機測試

本文在完成了功能樣機設計后，對其進行了CAN通信模塊以及性能測試。

4.1CAN通信模塊測試

測試采用了兩塊帶有CAN通信模塊的單片機，將其CAN通信接口使用雙絞線連接，作為通信通道，設置其中任意一單片機為數(shù)據(jù)發(fā)送方，另一單片機作為數(shù)據(jù)接收方。數(shù)據(jù)發(fā)送方的數(shù)據(jù)通過程序下載至單片機中，數(shù)據(jù)接收方接收的數(shù)據(jù)通過仿真器觀察。整個測試過程共進行了10次發(fā)送和接收，每次5個數(shù)據(jù)，共50個數(shù)據(jù)。表1為數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)接收方接收到的數(shù)據(jù)的比較，結果顯示沒有出現(xiàn)接收錯誤的情況，說明讀卡控制器通信部件軟硬件行良好。

4.2讀卡控制器測試

測試讀卡控制器主要是測試其對不同卡片的識別能力，以及能否完成對合法卡片的操作。測試中共使用了3張卡片，分別為：未經(jīng)注冊卡、用戶卡和管理員卡各一張。

未經(jīng)注冊卡進行開鎖操作時，讀卡控制器顯示無效卡信息提醒并發(fā)出聲光報警。插入用戶卡時，讀卡控制器處于讀卡狀態(tài)，顯示器顯示“輸入密碼”字樣，并伴有語音提示。在用戶輸入密碼時，顯示器以“*”顯示已輸入密碼位數(shù)。若密碼輸入錯誤，會提示重新輸入，當連續(xù)3次輸入錯誤后，用戶卡會被鎖定并被設為無效卡，將不能繼續(xù)進行開鎖操作。解除鎖定狀態(tài)須經(jīng)管理員重新注冊。管理員卡除具有一般用戶卡的功能外，還可以進行時間設置、注冊、刪除、查詢等操作。查詢時，可以按卡號查詢用戶基本信息，也可以按時間查詢在指定時間段進出的用戶信息。

表1　數(shù)據(jù)通信測試結果

通過對系統(tǒng)各方面的測試可知樣機基本能夠完成預設功能，達到門禁管理和通信的功能。

5總結

本文根據(jù)當今智能小區(qū)門禁管理系統(tǒng)的需求，采用成熟可靠的硬件器件和穩(wěn)定的軟件開發(fā)平臺，設計出基于CAN通訊總線的樣機系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)成本低，研制周期短，能夠滿足目前的管理需求。對樣機的測試證明該系統(tǒng)具有一定的可靠性，能夠滿足用戶的要求。

參考文獻

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Development of Intelligent Access System Based on CAN Bus

LIANG Xiangying,YAN Hui

(School of Electronic and Information Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei China 230022)

Abstract:The intelligent access system based on CAN bus can meet the demand of the intelligent buildings. The system uses mature technology. It is stable and reliable. The prototype test shows that the main function of the system is to meet the requirements, with the advantages of low cost and more human nature, which is helpful to the development of the intelligent access control system.

Key words:CAN; Access System; Intelligent building; intelligent monitoring

作者簡介：梁祥瑩(1981-)，女，碩士研究生，主要研究方向為計算機控制、檢測技術。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150612

中圖分類號：TP27

文獻標識碼：B

文章編號：2095-8382(2015)06-059-04