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        基于Cortex-A8的嵌入式門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-08-05 08:01:24李剛
        科技與創(chuàng)新 2021年14期
        關(guān)鍵詞:嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)功能

        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。

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