基于MSP430的防尾隨門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章出處：http:// 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2013年02月09日

　　摘要：針對某些安全等級較高的場所的門禁系統(tǒng)需要防止刷卡一次多人尾隨進(jìn)入、一卡多刷以及對進(jìn)入場所的人員數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理的情況，介紹了1種基于MSP430的防尾隨門禁系統(tǒng)，提出了運(yùn)用接近傳感器與稱重傳感器相配合，并結(jié)合門禁卡的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行防尾隨控制，通過稱重傳感器檢測的體重?cái)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的重量數(shù)據(jù)相比對，確定現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，控制通道開關(guān)裝置的開閉，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和各門禁系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交互更新，從而提高了門禁系統(tǒng)的安全性。

　　0　引 言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們越來越注重安全防范，門禁系統(tǒng)是目前被廣泛使用的安全設(shè)施之一。但傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展和安全防范的需要。近幾年非接觸式射頻門禁卡系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的防范效果。

　　但是僅采用門禁卡進(jìn)行信息的識(shí)別和確認(rèn)存在一定的問題。如果在1個(gè)人刷卡正常進(jìn)出門的時(shí)候，其他人趁門開啟的間隙尾隨進(jìn)出，大多數(shù)的門禁卡控制系統(tǒng)無法對這種尾隨動(dòng)作做出正確判斷[1]。因此，出于安全防范的整體性考慮，如何保證每次刷卡都只有持卡人本人通過，這就涉及到了防尾隨問題。在有的對安全要求較高的大型場所，往往其出入口也不止1個(gè)，這時(shí)候單個(gè)門禁的數(shù)據(jù)就要及時(shí)的同其余門禁的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以滿足于人員從1個(gè)門進(jìn)，從另1個(gè)門出的這種情況，這就需要各個(gè)門禁間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互更新。本文給出了1種基于MSP430的防尾隨門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用位置傳感器與稱重傳感器相結(jié)合，并配合門禁卡的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行防尾隨控制，同時(shí)將各個(gè)通道門禁系統(tǒng)通過網(wǎng)口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互更新，很好的解決了這些問題。

　　1　防尾隨門禁系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　1.1　防尾隨門禁系統(tǒng)電路原理

　　防尾隨門禁系統(tǒng)的電路原理如圖1所示。數(shù)據(jù)處理電路接收讀卡器的輸入信號，控制電磁鐵實(shí)現(xiàn)裝置的開閉，在人員通過通道的過程中采集稱重?cái)?shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)對應(yīng)識(shí)別信息相比對。如果現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，則機(jī)構(gòu)正常動(dòng)作，原數(shù)據(jù)庫重量數(shù)據(jù)與采集的數(shù)據(jù)取均值后更新數(shù)據(jù)庫;如果現(xiàn)場采集的重量數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，則鎖閉裝置，發(fā)出報(bào)警信號，原數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)不更新。

　　圖1　防尾隨門禁系統(tǒng)原理

　　1.2　控制單元的硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：采用上/下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)選用普通的PC作為服務(wù)器，下位機(jī)采用低功耗、高性能的單片機(jī)設(shè)計(jì)，作為門禁系統(tǒng)的客戶端，主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、重量信號采集模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等幾個(gè)部分。

　　1.2.1　數(shù)據(jù)處理和控制模塊：數(shù)據(jù)處理和控制芯片采用美國德州儀器(TI)公司的低功耗、高性能16位單片機(jī)MSP430F149[2]。該芯片具有運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，其工作電壓為1.8～3.6V;采用了精簡指令集，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;MSP430F149中斷源較多并且可以任意嵌套，從省電狀態(tài)喚醒系統(tǒng)只需要6μs;它還具有豐富的片上外圍模塊，其12位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、保持采樣、自動(dòng)掃描等特性;16位定時(shí)器具有4種工作模式，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能;有48個(gè)可獨(dú)立編程的I/O口;2個(gè)串行通信接口USART0與USART1;具有60多KB的Flash存儲(chǔ)器，可擦寫10萬次;具有JTAG調(diào)試口，可以在線對單片機(jī)進(jìn)行下載和調(diào)試[3-5]。

　　1.2.2　重量信號采集模塊：重量信號采集部分電路要實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變片傳感器信號濾波放大并且進(jìn)行A/D采樣的功能，人員踏上稱重平臺(tái)開始采樣，轉(zhuǎn)柵原始位置傳感器信號斷時(shí)結(jié)束采樣，人員重量計(jì)算采用去掉極大值和極小值后取平均值的方法，稱重精度誤差在5%以內(nèi)。本文采用差分信號的專用集成芯片AD7705來進(jìn)行重量信號的處理，重量采集模塊原理如圖2所示。

　　圖2　重量采集模塊原理

　　AD7705是集可控濾波器、差分放大和16位高速A/D轉(zhuǎn)換于一體的專用差分信號處理及采集芯片，它具有分辨率高、增益可編程、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)、功耗低等特點(diǎn)[6]。ADD7705采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，有2個(gè)模擬通道，片內(nèi)帶可編程數(shù)字濾波器，抗干擾性強(qiáng)，分辨率高，穩(wěn)定性好。它同微控制器的接口也是通用的SPI、micro　wire串口協(xié)議，接口方便[7-8]。

　　1.2.3　網(wǎng)絡(luò)模塊：各門禁系統(tǒng)之間要進(jìn)行信息的交互更新，就需要通過網(wǎng)絡(luò)部分相連。本文設(shè)計(jì)的防尾隨系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能就是將人員進(jìn)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)并且由上位機(jī)來組織數(shù)據(jù)對各個(gè)通道數(shù)據(jù)庫進(jìn)行及時(shí)更新。該部分電路屬于高速數(shù)字模塊，需要采取相應(yīng)的抗干擾措施防止其對模擬部分等電路造成干擾并且TCP/IP協(xié)議本身是比較復(fù)雜的[9]。

　　本文采用1款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100來實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，并且集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)[10]。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，這些協(xié)議都在很多領(lǐng)域經(jīng)過了多年的應(yīng)用。W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸，它提供了3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線，使得W5100與MCU 接口非常簡單，就像訪問外部存儲(chǔ)器一樣[11-12]。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡單的端口(Socket)編程，從而降低了網(wǎng)絡(luò)部分設(shè)計(jì)的難度。

　　1.2.4　各信號間的隔離：該系統(tǒng)中需要接入多種傳感器信號(韋根信號、接近傳感器信號、稱重傳感器信號)以及要輸出控制繼電器等。這些輸入信號和控制信號的供電范圍各不相同且繼電器之類的期間電磁干擾也比較厲害，對重量傳感器信號的采集極為不利。因此在設(shè)計(jì)這些接口部分時(shí)一定要做好隔離措施，本文采用TLP521光電耦合器件來實(shí)現(xiàn)各種信號的隔離輸入和輸出[13]。TLP521是可控制的光電耦合器件，主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中，可以增加系統(tǒng)的安全性，減小電路干擾，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

　　2　防尾隨門禁系統(tǒng)工作原理

　　防尾隨門禁系統(tǒng)的1個(gè)通道包括進(jìn)門和出門2個(gè)方向，各有1個(gè)讀卡器和電磁鐵控制，各有1個(gè)信號燈指示狀態(tài)，出門方向設(shè)置了1個(gè)按鈕，作為手動(dòng)開門的備用控制。平時(shí)信號紅燈亮，電磁鐵吸合時(shí)，對應(yīng)的信號綠燈亮，信號紅燈滅。通道底部放置1個(gè)進(jìn)出門共用的稱重裝置。頂部有3個(gè)位置檢測開關(guān)，轉(zhuǎn)柵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，1號接近開關(guān)信號為出門電磁鐵斷電控制信號;轉(zhuǎn)柵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，3號接近開關(guān)信號為進(jìn)門電磁鐵斷電控制信號。2號接近開關(guān)為原點(diǎn)位置檢測，沒有信號時(shí)，轉(zhuǎn)柵沒有回位，電磁鐵不能動(dòng)作。位置檢測開關(guān)原理如圖3所示。

圖3　位置檢測開關(guān)原理

　　人員刷卡后，讀卡器的韋根26信號輸入進(jìn)控制電路后需經(jīng)電路處理分成2路，1路供數(shù)據(jù)處理電路使用，1路發(fā)送給讀卡控制器使用。讀卡控制器識(shí)別卡的信息后，發(fā)出1個(gè)進(jìn)門信號給數(shù)據(jù)處理電路，此信號為繼電器干接點(diǎn)信號。數(shù)據(jù)處理電路接到進(jìn)門信號后，檢測轉(zhuǎn)柵是否在原點(diǎn)，如果轉(zhuǎn)柵在原點(diǎn)，控制對應(yīng)的電磁鐵吸合，以及對應(yīng)的信號綠燈亮，并發(fā)出提示音“請進(jìn)”;如果轉(zhuǎn)柵不在原點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理電路不接受進(jìn)門信號，回到等待狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理電路將接收的卡信息在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查詢，比較是否是參觀人員，如果識(shí)別卡是參觀卡，不做任何處理。如果識(shí)別卡是普通卡，數(shù)據(jù)處理電路計(jì)算人員重量是否超過閾值;如果超過閾值，則釋放電磁鐵，對應(yīng)的信號紅燈亮，發(fā)出提示音“識(shí)別失敗”，并發(fā)出1個(gè)繼電器信號作為報(bào)警信號，數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)不更新;如果不超過閾值，則保持電磁鐵吸合，將采集的重量數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)取平均值后更新數(shù)據(jù)庫，人員通過。這種方法可有效的檢測到持卡人體重信息，防止有人尾隨進(jìn)入。

　　3　軟件設(shè)計(jì)

　　圖4為軟件設(shè)計(jì)主流程圖，系統(tǒng)上電復(fù)位初始化，讀卡器等待刷卡，刷卡后，讀卡器讀取韋根信號識(shí)別卡的信息，識(shí)別通過后發(fā)出1個(gè)開門信號給數(shù)據(jù)處理電路，控制繼電器開門。同時(shí)數(shù)據(jù)處理電路將接收到的韋根信號信息在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢比對，是參觀人員的話直接通過閘機(jī)，關(guān)門，不是參觀人員則調(diào)用稱重防尾隨子程序，獲取稱重傳感器的重量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的持卡人體重進(jìn)行比對，符合設(shè)定范圍的通過閘機(jī)，關(guān)門，并在數(shù)據(jù)庫中更新體重信息，超出設(shè)定范圍的報(bào)警，關(guān)門，等待下一次刷卡。

圖4　軟件流程

　　對于上位機(jī)的編程運(yùn)用VC++實(shí)現(xiàn)，具體的程序設(shè)計(jì)本文不再詳細(xì)介紹。

　　4　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的基于MSP430防尾隨門禁系統(tǒng)應(yīng)用于某電廠各高危區(qū)域的進(jìn)出通道控制，并進(jìn)行了調(diào)試測試。

　　作者簡介：王煜，1988年出生，東華大學(xué)碩士研究生，主要從事嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究，機(jī)械零件圖像處理與識(shí)別等。E-mail：wylzhf@163.com

    【稿件聲明】：如需轉(zhuǎn)載，必須注明來源和作者，保留文中圖片和內(nèi)容的完整性，違者將依法追究。