金鑫，朱金濤，朱中旭

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著電子信息與計算機(jī)技術(shù)，特別是RFID等技術(shù)的發(fā)展，電子門鎖的應(yīng)用越來越廣泛；這些電子門鎖應(yīng)用便捷、安全性較高[1][2]。部分電子門鎖僅核對卡信息并控制門鎖開關(guān)，而很少存儲用戶開啟門鎖的時間。同時，還有部分電子門鎖不提供聯(lián)網(wǎng)功能，其數(shù)據(jù)無法共享，使得整個門禁系統(tǒng)的管理也受到局限。

門禁系統(tǒng)利用門禁控制器，將分散的電子門鎖聯(lián)網(wǎng)，為建筑物內(nèi)的各類通道口提供安全的智能門禁功能。這種系統(tǒng)不僅可以利用人員身份卡對出入口進(jìn)行控制，還可以記錄出入時間以實現(xiàn)更多管理服務(wù)[3]。

目前門禁系統(tǒng)中常用的門禁控制器，多是由PC機(jī)或者工控機(jī)來實現(xiàn)，功能較為強(qiáng)大、同時價格較高。本文討論了一種基于STM32的、提供簡單Web服務(wù)的、低成本的嵌入式門禁控制器。

1 基于STM32的門禁控制器整體設(shè)計

本文設(shè)計的門禁控制器，采用STM32F407微處理器為核心，利用LAN8720A作為PHY芯片提供以太網(wǎng)接入功能，利用MAX3486提供485總線訪問功能，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化門禁管理?？刂破鞑捎幂p量級的LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供TCP/IP服務(wù)，采用HTML語言，設(shè)計了門禁信息查詢平臺的交互頁面，并采用SSI技術(shù)以提供服務(wù)器的信息交互[4]。系統(tǒng)主要功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖

控制器利用485模塊，輪詢485總線上的電子門鎖，利用以太網(wǎng)模塊，輪詢局域網(wǎng)內(nèi)的電子門鎖，以驗證各個電子門鎖的正常在線；同時，各門鎖的開門信息可以通過總線或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至門禁控制器。作為PHY芯片， LAN8720A模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 LAN8720A模塊原理圖

為保存這些門禁信息，控制器在SD卡中實現(xiàn)了FatFs文件系統(tǒng)。SD模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 SD模塊原理圖

系統(tǒng)在初始化完畢后，利用中斷完成各項功能。主要功能模塊初始化過程如圖4所示。

圖4 主要功能模塊初始化過程圖

2 門禁控制器通信設(shè)計

為安全起見，門禁控制器設(shè)計為僅采集各電子門鎖的在線信息、開門信息等，并不控制各門鎖的開關(guān)操作?？紤]到應(yīng)用的兼容性，門禁控制器支持485總線通信與以太網(wǎng)局域網(wǎng)通信。

2.1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

在具體實現(xiàn)中，控制器記錄的電子門鎖動作時間設(shè)計為該信息到達(dá)控制器的時間?？紤]到485總線為半雙工工作方式，為了保證輪詢的正常進(jìn)行，輪詢期間電子門鎖不能主動上傳開關(guān)信息。為了保證電子門鎖的實際動作時間與控制器對該動作的記錄時間的誤差可控，輪詢時間需盡量短。為此，系統(tǒng)采用自定義通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式，如圖5所示。

圖5 門禁通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

其中，各域均為1個字節(jié)長。頭域為AAH，表示數(shù)據(jù)開始。類型域為0、1、2、3，分別表示在線輪詢電子門鎖、電子門鎖信息上報、控制器命令下發(fā)、上位機(jī)信息查詢等，其中命令下發(fā)的實現(xiàn)涉及安全，部分電子門鎖不支持。尾域為55H，表示數(shù)據(jù)結(jié)束。

當(dāng)類型域為0時，表示在線輪詢；地址域為被輪詢的電子門鎖地址，信息域為該電子門鎖的當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)類型域為1時，表示信息上報；地址域表示發(fā)送信息的電子門鎖地址，信息域表示開啟門鎖的用戶編號。為保證安全，信息上報時用戶卡號并不會發(fā)送給門禁控制器，發(fā)送的是該用戶在本門鎖中的用戶編號。

2.2 通信過程

通過修改配置，可以設(shè)定門禁控制器的輪詢時間間隔，如設(shè)定為1分鐘輪詢一次。在每一輪的輪詢中，首先進(jìn)行的是對485總線上的電子門鎖的輪詢，然后是對以太網(wǎng)上的電子門鎖的輪詢。輪詢時通訊方式為主從應(yīng)答，門鎖處于等待接收狀態(tài)，不發(fā)送通訊數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；當(dāng)收到控制器發(fā)送的對本地址的通信后，返回一幀應(yīng)答數(shù)據(jù)；當(dāng)收到控制器發(fā)送的對非本地址的通信后，拋棄該數(shù)據(jù)。被輪詢的門鎖對輪詢進(jìn)行回應(yīng)，控制器收到回應(yīng)后輪詢下一門鎖；當(dāng)控制器輪詢超時后將不回應(yīng)的門鎖視為不在線，并輪詢下一門鎖。

485總線通訊設(shè)置如下：采用異步串行通訊，半雙工方式。速率9600（4800）bps，1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，lsb在前。輪詢超時為發(fā)送時間的4倍時間。當(dāng)速率為9600bps時，在不多于32部門鎖的情況下，485總線輪詢總時間不超過1秒。

當(dāng)485總線、以太網(wǎng)均輪詢完畢后，各電子門鎖可以實時上報發(fā)生的開門信息，也可以上報在輪詢周期內(nèi)未上報的開門信息，控制器需對收到的信息進(jìn)行回應(yīng)。當(dāng)485總線上的電子門鎖上報發(fā)生的開門信息時，其余門鎖檢測到后，在發(fā)送時間的5倍時間內(nèi)禁止上報信息，以防產(chǎn)生沖突。若兩門鎖同時發(fā)送各自的上報信息，總線上將產(chǎn)生沖突，其余門鎖檢測到?jīng)_突后，在發(fā)送時間的5倍時間內(nèi)禁止上報信息，以防擴(kuò)大沖突；控制器因校驗錯誤，將不回應(yīng)；發(fā)生沖突的門鎖在超時時間內(nèi)未收到控制器回應(yīng)，將隨機(jī)延遲一段時間并再次發(fā)送其上報信息。

3 門禁控制器嵌入式Web服務(wù)設(shè)計

門禁控制器利用LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從支持TCP/IP的電子門鎖中獲取門禁信息；上位機(jī)從控制器中讀取其存儲的門禁信息，讀取當(dāng)前的門鎖狀態(tài)?？刂破鲀?nèi)建WebServer，提供簡單的Web頁面訪問服務(wù)，操作人員可以通過瀏覽器登錄控制器并獲取各門鎖狀態(tài)與門禁信息。

在完成LAN8720A驅(qū)動程序移植、LWIP協(xié)議棧移植之后，系統(tǒng)采用HTML語言編寫web網(wǎng)頁，利用makefsdata.exe生成fsdata.c文件、編譯鏈接進(jìn)系統(tǒng)程序；并采用SSI技術(shù)通過Httpd_cgi_ssi.c文件中的函數(shù)來實現(xiàn)與網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié)束語

本文以STM32F407微處理器為核心，設(shè)計了一款低成本的門禁控制器，該控制器可以通過485總線、以太網(wǎng)與各個電子門鎖進(jìn)行通信，獲取門鎖狀態(tài)和開門信息。系統(tǒng)移植了LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，采用HTML語言設(shè)計了網(wǎng)頁，并利用SSI技術(shù)實現(xiàn)了與網(wǎng)頁的信息交互。該門禁控制器與電子門鎖構(gòu)成的門禁系統(tǒng)具有穩(wěn)定性較好、安全性較強(qiáng)、便于二次開發(fā)等特點，能夠支持上位機(jī)進(jìn)行更多功能擴(kuò)展。