李剛

（北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部總務(wù)處，北京100191）

門禁系統(tǒng)在人們?nèi)粘９ぷ魃钪械膽?yīng)用普及程度越來(lái)越高，隨著嵌入式技術(shù)在性能和功能等方面的迅速提升，門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備門禁控制器，也由最初的單片機(jī)控制逐步發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)控制，很好地解決了單片機(jī)處理能力不夠、存儲(chǔ)容量小等固有的局限性問(wèn)題。但隨著門禁系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越豐富，對(duì)門禁系統(tǒng)的高性能、易用性、穩(wěn)定性和安裝、維護(hù)、升級(jí)等的便捷性提出了更高的要求。

基于此，本著“類傻瓜式”易用性目標(biāo)，本文提出了全嵌入式門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在硬件上保證高性能的同時(shí)還要保證安裝簡(jiǎn)單、易用，在軟件上將管理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、門禁控制程序均內(nèi)置于控制器內(nèi)，不需要專配計(jì)算機(jī)或服務(wù)器單獨(dú)安裝配套軟件，只需通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)控制器內(nèi)置的web服務(wù)器進(jìn)行便捷管理與維護(hù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用中央、本地兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，兩級(jí)監(jiān)管、兩級(jí)存儲(chǔ)。其中門禁控制器和系統(tǒng)控制器均采用基于TI工業(yè)級(jí)高性能嵌入式微處理的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，唯一區(qū)別是裝載的軟件包不同，系統(tǒng)控制器因承擔(dān)了系統(tǒng)上位機(jī)的功能，相比于門禁控制器，其嵌入式web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)功能更全面，用來(lái)對(duì)整個(gè)門禁系統(tǒng)進(jìn)行配置和管理，與此同時(shí)，它仍可兼做門禁控制器使用。管理員只要能接入門禁系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，便可訪問(wèn)任意控制器的web服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有門禁控制器的管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU模塊設(shè)計(jì)

AM335X內(nèi)嵌Cortex-A8高速32位處理器，主頻為720 MHz，完整的MMU可支持多種復(fù)雜的現(xiàn)代操作系統(tǒng)運(yùn)行，性價(jià)比也高，這在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中至關(guān)重要。Cortex-A8是一款成功的ARM內(nèi)核，作為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，目前已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)終端、掌上電腦和許多其他日常便攜式消費(fèi)電子設(shè)備[1]。AM335X支持總線擴(kuò)展并包含豐富的片內(nèi)外圍，非常適合于門禁系統(tǒng)所需功能，主要使用AM335X的如下硬件特性[1-2]。

串行接口：AM335X支持多個(gè)串口，可方便連接各種外部串行設(shè)備，在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)總線外擴(kuò)串口與片內(nèi)串口配合，以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所要求的多路串口功能。

外部總線接口：用于實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展。

以太網(wǎng)MAC：AM335X內(nèi)嵌2個(gè)10 M/100/1 000 Mbps以太網(wǎng)MAC，通過(guò)外擴(kuò)PHY，可方便實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡(luò)連接功能。

VGA接口：AM335X內(nèi)嵌功能強(qiáng)大的LCD控制器，分辨率最高可達(dá)1 366×768，通過(guò)外擴(kuò)的LCD與VGA轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所要求的VGA輸出接口功能。

音頻接口：AM335X內(nèi)嵌音頻接口，通過(guò)外擴(kuò)音頻編碼/解碼電路，實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所要求的音頻輸入輸出功能。

USB接口：AM335X內(nèi)嵌USB控制器，配合相關(guān)外圍電路，實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所要求的USB接口功能。

GPIO接口：AM335X支持多路GPIO，實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)所要求的各種狀態(tài)信號(hào)的輸入/輸出功能。

2.2 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

由于AM335X內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限[3]，僅有64 KB RAM和176 KB ROM，為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，擴(kuò)展了RAM和ROM存儲(chǔ)器。RAM存儲(chǔ)器采用高速DDR3 SDRAM構(gòu)建，容量為512 MB，用于支持門禁系統(tǒng)的高速運(yùn)行；RAM存儲(chǔ)器選用MICRON的16位數(shù)據(jù)寬度的器件MT41J256M16，作為操作系統(tǒng)程序及用戶應(yīng)用程序的運(yùn)行空間。ROM存儲(chǔ)器采用1 GB NAND Flash構(gòu)建，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序、配置信息及用戶數(shù)據(jù)等需要掉電保持的數(shù)據(jù)。ROM存儲(chǔ)器選用SAMSUNG的8位數(shù)據(jù)寬度、1 GB的NAND Flash器件K9F8G08-SIB0，作為操作系統(tǒng)及用戶應(yīng)用程序的靜態(tài)存儲(chǔ)空間。

2.3 串口擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

因門禁系統(tǒng)中某些場(chǎng)所讀卡器到控制器的距離較遠(yuǎn)，為解決好信號(hào)通訊問(wèn)題，讀卡器到控制器之間采用RS485方式傳輸，RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1 200 m。

為解決不同場(chǎng)景的多應(yīng)用需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多達(dá)10路的RS485串行通信接口，既能有效減少門禁系統(tǒng)總體建設(shè)成本，還能提供豐富的輔助輸入輸出應(yīng)用接口功能，同時(shí)為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)提供便捷的系統(tǒng)集成接口，在具體應(yīng)用場(chǎng)景中可靈活選擇可控制門的數(shù)量（最多10個(gè)門）、輔助輸入輸出的類型和數(shù)量。但AM335X內(nèi)嵌的UART接口數(shù)量（6個(gè)）無(wú)法滿足需求，因此，需要再通過(guò)外擴(kuò)相關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的串口通訊接口。本系統(tǒng)采用TI的4串口擴(kuò)展器件TL16C554AI[4]，該器件內(nèi)部包含4個(gè)完全一樣的串行收發(fā)單元，并內(nèi)嵌16字節(jié)FIFO以減少收發(fā)中斷次數(shù)，從而加快通信速度。

2.4 機(jī)箱易用性設(shè)計(jì)

控制器設(shè)計(jì)為19英寸（1英寸=2.54 cm）標(biāo)準(zhǔn)1U機(jī)柜型機(jī)箱，可機(jī)柜或壁掛安裝，還可配合專用配件疊型安裝，節(jié)省空間。為降低模具成本，機(jī)箱設(shè)計(jì)為單門、雙門、4門、8門、10門等多種型號(hào)通用配置，以適用不用應(yīng)用場(chǎng)景的多種需求。內(nèi)置電源和內(nèi)置繼電器回路控制，接線端子移至機(jī)箱外部，每個(gè)門對(duì)應(yīng)一組接線端子，讀卡器、門磁、門鎖、開(kāi)門按鈕以及其他消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)輔助輸入輸出設(shè)備的接線方式簡(jiǎn)單易操作，降低接線難度，減少接線錯(cuò)誤，并對(duì)所有點(diǎn)位運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置全狀態(tài)LED指示燈。

控制器機(jī)箱除上述外接端口外，還設(shè)有2個(gè)RS-232、1個(gè)VGA、1個(gè)百兆網(wǎng)口、4個(gè)USB2.0、1個(gè)SD卡插槽、2個(gè)Audio接口，為控制器提供了音視頻需求設(shè)備的就近安裝可能，也給暫不具備網(wǎng)絡(luò)條件的用戶提供了直接連接鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等外設(shè)進(jìn)行控制器設(shè)置的可選項(xiàng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包含操作系統(tǒng)（移植到硬件平臺(tái)的嵌入式LINUX系統(tǒng)）、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、各類HMI接口程序、門禁系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)程序、網(wǎng)絡(luò)通訊程序以及嵌入式web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等。其中，嵌入式web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)。

3.1 嵌入式web服務(wù)器設(shè)計(jì)

由于門禁控制設(shè)備的安裝環(huán)境因?qū)嶋H需求不同各異，且絕大多數(shù)情況下的安裝位置不利于實(shí)地管理和維護(hù)，因此，基于TCP/IP的門禁系統(tǒng)更符合易安裝易維護(hù)的設(shè)計(jì)理念，除布線施工方便外，最大的優(yōu)勢(shì)是可以在嵌入式系統(tǒng)中部署web管理功能，用戶只需使用瀏覽器方便地訪問(wèn)門禁設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程配置維護(hù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等[5]。嵌入式webserver有多種，本文采用的是Goahead。

Goahead webserver是為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）量身定制的，而且是一個(gè)開(kāi)源（商業(yè)許可）、簡(jiǎn)單、輕巧、功能強(qiáng)大、可以在多個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的嵌入式webserver，支持ASP、嵌入式的JavaScript、CGI執(zhí)行，支持內(nèi)存中的CGI處理GoForm；可以使用C語(yǔ)言編程定制Web頁(yè)面里的HTML標(biāo)簽；可以利用它提供的EJscript和GoForm進(jìn)行方便有效的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，而且也能方便地實(shí)現(xiàn)Ajax動(dòng)態(tài)效果增強(qiáng)用戶使用體驗(yàn)[5-6]。除此之外，Goahead還支持使用SSL進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證，還支持摘要認(rèn)證機(jī)制，以及它的用戶管理功能可以對(duì)不同的用戶設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限；支持多種操作系統(tǒng)，并且移植非常方便。

3.2 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本文采用SQLite作為門禁系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，由于在嵌入式中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，必須選擇公開(kāi)源碼的，性能好、運(yùn)行速度快、查詢速度快、穩(wěn)定可靠、規(guī)模小的數(shù)據(jù)庫(kù)，門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表之間也并沒(méi)有多少?gòu)?fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而SQLite則簡(jiǎn)單易用，速度也很快，同時(shí)提供了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，在操作語(yǔ)句上類似關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)品，使用也非常方便，它的設(shè)計(jì)思想是小型、快速和最小化管理，完全滿足本系統(tǒng)的使用要求。

SQLite在大小和功能之間找到了一個(gè)理想的平衡點(diǎn)，完全的開(kāi)源代碼使其可以稱的上是理想的“嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)”[7]。SQLite實(shí)現(xiàn)了完備的、可嵌入的、零配置的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。它的主要特點(diǎn)包括[8-9]：①事務(wù)處理是原子的、一致的、獨(dú)立的和持久的（ACID），即使在系統(tǒng)崩潰和掉電以后；②零配置，即不需要設(shè)置和管理；③實(shí)現(xiàn)了絕大部分的SQL92標(biāo)準(zhǔn)；④一個(gè)單獨(dú)的磁盤文件存儲(chǔ)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)；⑤數(shù)據(jù)庫(kù)文件在機(jī)器之間可自由共享；⑥支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)文件大小至2 TB；⑦字符串的大小只受限于可用存儲(chǔ)器容量；⑧代碼量小，即小于30 K的C代碼行和小于250 K的代碼空間；⑨對(duì)于絕大多數(shù)普通操作來(lái)說(shuō)，比流行的C/S模式的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎運(yùn)行速度快；⑩API簡(jiǎn)單、易用。

3.3 門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門禁管理系統(tǒng)根據(jù)控制器是作為系統(tǒng)控制器還是本地控制器分為系統(tǒng)和本地兩個(gè)版本，本地版本只需滿足本地控制器所需的系統(tǒng)管理和必要的監(jiān)控管理功能即可，而系統(tǒng)版本功能更全，主要包含如下功能模塊。

系統(tǒng)管理：包括全局設(shè)置、時(shí)區(qū)設(shè)定（節(jié)假日定義、時(shí)間集和時(shí)間段定義）、數(shù)據(jù)維護(hù)、版本升級(jí)、系統(tǒng)接口，提供標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)或集成。

設(shè)備管理：系統(tǒng)控制器管理、門和門組管理、門禁控制器參數(shù)設(shè)置與安裝等。

人員管理：部門管理、人員和人員組管理、卡管理、卡關(guān)聯(lián)等。

門禁監(jiān)控：動(dòng)態(tài)顯示每一道門的讀卡、按鈕、門狀態(tài)、報(bào)警等信息，并可對(duì)門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或進(jìn)行重新布防、撤防等操作。

事件管理：與門禁監(jiān)控模塊對(duì)應(yīng)，主要作為運(yùn)行時(shí)間或歷史事件的查詢統(tǒng)計(jì)功能。

用戶管理：直接利用Goahead提供的用戶認(rèn)證和授權(quán)功能框架實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)管理員維護(hù)、組訪問(wèn)權(quán)限、操作日志管理等。

3.4 易維護(hù)設(shè)計(jì)

上述設(shè)計(jì)已經(jīng)將門禁系統(tǒng)從硬件的易安裝、軟件的免安裝等方面做了充分考慮，更多地是簡(jiǎn)化施工人員的操作復(fù)雜度，但對(duì)于門禁系統(tǒng)的最終用戶來(lái)說(shuō)，易維護(hù)更是實(shí)現(xiàn)“類傻瓜式”易用性目標(biāo)的關(guān)鍵，因此，在管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)模塊，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了如下特點(diǎn)。

默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模式：在軟件中內(nèi)置默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模式，標(biāo)準(zhǔn)模式能夠滿足絕大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用，個(gè)別個(gè)性化的要求也可重新設(shè)置參數(shù)，更改為新的標(biāo)準(zhǔn)模式?？刂破靼惭b后，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模式自動(dòng)匹配人員信息、卡信息、進(jìn)出模式等，減少調(diào)試人員的工作量。

信息批量導(dǎo)入：客戶的人員信息、卡信息、部門信息等均可通過(guò)文本格式，自動(dòng)導(dǎo)入到系統(tǒng)內(nèi)，減少調(diào)試時(shí)手動(dòng)錄入。

應(yīng)用程序在線升級(jí)：登錄管理系統(tǒng)，可直接將下載的升級(jí)文件復(fù)制到控制器內(nèi)，重啟啟動(dòng)系統(tǒng)即可，而不需要將設(shè)備返廠維修。

備份數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出：管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)庫(kù)、配置信息、人員信息備份導(dǎo)出導(dǎo)入功能，也可以自動(dòng)將相關(guān)信息備份到指定的目錄下，更換控制器后只需將備份文件導(dǎo)入到新的控制器內(nèi)即可恢復(fù)以前的數(shù)據(jù)，減少了再次調(diào)試配置的工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種全嵌入式門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，目的是既能保證硬件高性能運(yùn)行，還能盡可能減少因操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件兼容性、病毒入侵、誤操作等對(duì)門禁系統(tǒng)軟件造成的不穩(wěn)定因素和安裝調(diào)試復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)“類傻瓜式”的易用性目標(biāo)，以期降低集成商、工程商、最終用戶在系統(tǒng)實(shí)施和后期使用維護(hù)中對(duì)廠家的依賴性，使門禁系統(tǒng)真正做到產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、大眾化。