兼容TCP/IP協(xié)議的生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)單機(jī)工作的門(mén)禁系統(tǒng)由于不能進(jìn)行Internet通信而無(wú)法滿足集中管理、數(shù)據(jù)共享、安全性能等更新、更高的要求的問(wèn)題，提出了利用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)將門(mén)禁系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)組建成一個(gè)小型局域網(wǎng)進(jìn)行生物識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)禁各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到了門(mén)禁系統(tǒng)操作方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行可靠的網(wǎng)絡(luò)化管理的目的。

一、引 言

門(mén)禁系統(tǒng)【1】，又稱為出入口控制系統(tǒng)，是安防領(lǐng)域的基礎(chǔ)平臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，門(mén)禁控制系統(tǒng)不斷朝著集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。由于Internet網(wǎng)和以太網(wǎng)在全世界范圍的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化門(mén)禁控制系統(tǒng)已經(jīng)成為門(mén)禁系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，而TCP/IP協(xié)議以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)成為了網(wǎng)絡(luò)化門(mén)禁系統(tǒng)的首選【2】。利用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)組建一個(gè)小型的局域網(wǎng)，很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和門(mén)禁各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互更新。

本文是利用TCP/IP協(xié)議的生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)的研究，利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片的工作原理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，對(duì)持卡人信息進(jìn)行及時(shí)更新且上傳給上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷是否允許進(jìn)入，最終實(shí)現(xiàn)防止刷卡一次多人尾隨進(jìn)入、一卡多刷以及對(duì)進(jìn)出人員數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理的目的。

二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

門(mén)禁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由門(mén)禁控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、信號(hào)采集模塊、控制機(jī)構(gòu)、調(diào)試及仿真接口、RJ-45接口電路等組成。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用16位單片機(jī)MSP430F149作為控制核心，以集成TCP/IP協(xié)議的W5100芯片搭建以太網(wǎng)通訊模塊，利用以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)門(mén)禁控制器與上位PC機(jī)的通信。通過(guò)以太網(wǎng)模塊將門(mén)禁系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)整合到一起，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的IP地址，使門(mén)禁各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)組建成一個(gè)小型局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和各門(mén)禁節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交互更新。

三、門(mén)禁系統(tǒng)的核心硬件設(shè)計(jì)

1. 門(mén)禁控制核心

為了使系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間及處理能力能較好地滿足實(shí)時(shí)性要求，并能在盡量不外擴(kuò)存儲(chǔ)資源的前提下滿足存儲(chǔ)1000多名用戶數(shù)據(jù)的需要，且實(shí)現(xiàn)外圍需要外接多種接口的傳感器、通訊模塊等資源的目的，本文選擇了TI公司的16位單片機(jī)MSP430F149【3】。MSP430F149不僅處理速度較快且?guī)в胸S富的接口、存儲(chǔ)和模塊資源(1.8-3.6V供電電壓;2K RAM ;60 KB+ 256B Flash Memory;兩個(gè) UART 接口;一個(gè) SPI 接口;8通道12-Bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器;P1、P2外部中斷復(fù)用;高速捕獲/比較寄存器;硬件乘法器;溫度傳感器等)，而且其抗干擾性能、穩(wěn)定性、較寬的供電電壓范圍，這些特點(diǎn)能很好地適應(yīng)于較為苛刻惡劣的環(huán)境。

2. 以太網(wǎng)通訊模塊

該模塊的主要任務(wù)是完成與外界信息的交互，以實(shí)現(xiàn)門(mén)禁控制器與上位PC機(jī)的通信，設(shè)計(jì)中采用TCP/IP協(xié)議技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和處理。本文采用內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議的W5100網(wǎng)絡(luò)接口芯片作為以太網(wǎng)通信模塊的控制核心。

W5100的主要特點(diǎn)及應(yīng)用【4】有：W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。它還集成了全硬件的TCP/IP 協(xié)議?！?】、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。硬件TCP/IP 協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPOE，這些協(xié)議已經(jīng)得到了多年的驗(yàn)證。W5100還支持4個(gè)獨(dú)立的Socket通信，內(nèi)部16KB 的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet 連接，使用時(shí)不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口(Socket)編程。它提供直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線3種接口，與MCU 接口非常簡(jiǎn)單，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣;支持3.3V 工作電壓，I/O 口可承受5V 電壓，便于和普通單片機(jī)的連接通訊。

在接口電路中，以太網(wǎng)芯片W5100利用SPI接口與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。將網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100的以太網(wǎng)物理層信號(hào)管腳RXIP、RXIN、TXOP、TXON與網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行純硬件連接，來(lái)完成數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸和電平隔離作用。利用內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議的W5100構(gòu)成的以太網(wǎng)模塊，操作簡(jiǎn)單，訪問(wèn)其內(nèi)部的寄存器，就像訪問(wèn)存儲(chǔ)器一樣，只需寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的socket程序即可完成以太網(wǎng)通訊任務(wù)，使電路簡(jiǎn)單、可靠，便于應(yīng)用。

3. 外圍接口部分電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中需要接入多種傳感器信號(hào)、韋根信號(hào)以及要輸出控制繼電器等，這些輸入信號(hào)和控制信號(hào)的供電范圍各不相同且繼電器之間的電磁干擾也比較嚴(yán)重，對(duì)重量傳感信號(hào)的采集極為不利。因此在設(shè)計(jì)這些接口部分時(shí)一定得做好隔離措施，本文采用TLP521光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的隔離輸入和輸出。

TLP521這種可控制的光電耦合器件廣泛應(yīng)用在電路之間的信號(hào)傳輸，使前端與負(fù)載完全隔離，以實(shí)現(xiàn)增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的目的。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1. 無(wú)線通信模塊軟件的設(shè)計(jì)

TCP是面向連接的通信方式，首先必須建立連接，然后利用IP地址和端口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文采用TCP客戶模式，在建立TCP連接之前，需要初始化端口。在設(shè)計(jì)中，W5100產(chǎn)生的建立連接、終止連接、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和超時(shí)等事件，都可以從中斷狀態(tài)中獲得。

當(dāng)端口產(chǎn)生接收中斷時(shí)，調(diào)用S0_rx_process將端口接收到的數(shù)據(jù)緩存到Rx_buffer數(shù)組中，并返回接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。當(dāng)讀完所有的數(shù)據(jù)后，將S0_RX_RD的值加上讀取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，再寫(xiě)入S0_RX_RD，最后S0_CR寫(xiě)入RECV命令，以等待下次接收數(shù)據(jù)。但要注意在計(jì)算實(shí)際物理偏移量rx_offset時(shí)，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區(qū)的大小一致。通過(guò)Socket發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存在Tx_buffer中。發(fā)送時(shí)還需先檢查發(fā)送緩存區(qū)的剩余空間的大小，然后控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送處理過(guò)程中，剩余空間的大小將因?qū)懭霐?shù)據(jù)而減少，發(fā)送完成后又自動(dòng)增加。把Tx_buffer的數(shù)據(jù)完全寫(xiě)入端口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)后，將端口S0_TX_WR中的值加上寫(xiě)入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，再寫(xiě)入S0_TX_WR，以指示發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，最后在S0_CR中寫(xiě)入SEND命令，以啟動(dòng)發(fā)送。

2. 主程序設(shè)計(jì)

本程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)行初始配置，配置完成后按需要編寫(xiě)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收程序。

初始化功能模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括MSP430F149的初始化和W5100的初始化。主要有：合理配置I/O，設(shè)置繼電器狀態(tài)、工作模式、時(shí)鐘、地址寄存器及中斷向量等。通過(guò)設(shè)置W5100內(nèi)部的控制寄存器，靈活創(chuàng)建和選擇TCP套接字來(lái)完成網(wǎng)上的數(shù)據(jù)交換。

發(fā)送或接收功能負(fù)責(zé)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)包的生成和發(fā)送。數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收只需對(duì)W5100進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口發(fā)送或接收過(guò)程的編程，結(jié)合硬件而完成整個(gè)發(fā)送或接收過(guò)程。

3. PC機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行管理，包括人機(jī)界面，控制電路參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和更新，同步多個(gè)控制電路內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)。PC機(jī)管理軟件是在Windows XP操作平臺(tái)上利用Visual C++6.0【6】開(kāi)發(fā)的，運(yùn)用多線程的技術(shù)，主線程主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理、報(bào)警等模塊;輔線程采用Socket編程在后臺(tái)運(yùn)行，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、分離、插入數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，使系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，顯示直觀，操作方便。

五、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是兼容TCP/IP協(xié)議的生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)，已投入實(shí)際運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分運(yùn)用了軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思想，各部分盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，采用了MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，采用W5100芯片搭建整個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊，使得整體系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度大為降低，同時(shí)也提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和集成度，使得MSP430F149單片機(jī)控制核心能以較為豐富的資源專注于處理控制任務(wù)而不必去處理TCP/IP協(xié)議完成通訊，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，最終實(shí)現(xiàn)了生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和推廣性。