基于网络的门禁系统的设计.pdf

《基于网络的门禁系统的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于网络的门禁系统的设计.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 圆7 卷第 1 期圆园园8 年 2 月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Vol.27No.1February2008基于网络的门禁系统的设计荣锋袁 厉彦峰渊天津工业大学 信息与通信工程学院袁 天津 300160冤摘要院设计了一种基于双处理器的门禁系统袁集成了生物识别技术与射频识别技术袁扩展了以太网口袁实现了门禁网络互连.文中介绍了指纹传感器 FPS200尧 读卡芯片 FM1702 等模块的电路设计以及相应模块的软件编写曰 同时裁剪并改进了 TCP/IP 协议袁以便更适应本系统的要求.测试证明本系统运行稳定可靠.关键词院门禁系统

2、曰 指纹识别曰 RFID曰 TCP/IP中图分类号院TP393.07文献标识码院A文章编号院员远苑员原园圆源载渊圆园园8冤园1原园园56原园4Design of access control system based on networkRONG Feng袁 LI Yan-feng渊School of Information and Communication Engineering袁 Tianjin Polytechnic University袁 Tianjin 300160袁 China冤Abstract院 A kind of access control system which is

3、linked through Ethernet is designed based on double microprocessor.Technology of biology identity and RFID ARE used in this system.The circuit of FPS200 and FM1702 is in鄄troduced.The TCP/IP protocol is adapted and improved.Being tested袁 this system prove to be stable and reli鄄able.Key words院 access

4、control system曰 fingerprint identity曰 RFID曰 TCP/IP收稿日期院2007-06-16作者简介院荣锋渊1979要冤袁男袁硕士袁助教.E-mail:门禁系统在公司尧学校尧宾馆等场所被广泛应用袁随着生物识别技术尧 射频识别技术的发展和日渐成熟袁门禁系统也朝着安全化尧智能化尧网络化方向发展袁出现了指纹门禁尧射频卡门禁等门禁系统.本文设计了一种门禁系统袁集成了以上两种技术袁即生物识别和射频识别技术袁 同时外扩多种模块袁 如语音尧显示尧键盘等袁因此本门禁系统可以选择多种门禁模式袁如指纹+射频卡模式尧指纹+密码模式尧射频卡+指纹模式等袁 各个门禁通过网络与服务器

5、互连袁 实现了门禁的网络化.本门禁系统可以分成 2 个模块院 模块 1院所用处理器为 AT89C51.外扩语音芯片袁 可以对门禁操作提供语音提示曰 LCD袁显示操作菜单尧时间等信息曰键盘袁实现密码门禁以及管理员设置门禁 IP 地址等功能曰 读卡芯片 FM1702袁 实现对射频卡门禁功能.模块2院所用处理器为 ARM S3C2410A1.外扩指纹传感器芯片 FPS200袁读取指纹图像袁实现指纹门禁功能2曰 网络芯片 RTL8019袁门禁通过 TCP/IP 协议与服务器进行连接袁实现门禁网络化3.模块 1 与模块 2 通过串口连接袁交换信息.本文对系统设计做详细介绍.1硬件设计本系统的硬件采用了双

6、处理器袁既保证了门禁系统的实时性又可外扩多种功能模块使门禁使用方便尧直观.系统框图如图 1 所示.系统主要的硬件电路包括院 射频卡读卡芯片FM1702 电路尧 指纹传感器FPS200 电路和网络芯片图 1门禁系统框图Fig.1Access control system block diagram门锁电机键盘语音芯片天线FM1702AT89C51LCDARMRTL8019FPS200网络PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 1 期RTL8019 电路.1援1射频卡读卡芯片 FM1702 电路射频识别技术是近年发展起来的自动识别技术袁其利用射频方式在读卡器和射频卡之间进

7、行无线双向通信袁与传统接触式 IC 卡相比袁具有更高保密性尧方便性.本设计采用的处理器为 AT89C51袁 读卡芯片为FM1702.FM1702 是复旦微电子股份有限公司设计的基于 ISO14443 标准的非接触式读卡机专用芯片袁支持 13.56 MHz 频率下的 typeA 非接触通信协议袁 支持多种加密算法.FM1702 与单片机的接口方式有 2 种院并口和 SPI.由于芯片并口方式的时序与处理器AT89C51 的总线读写时序吻合袁所以本设计采用并口方式袁 具体电路图见图 2.IRQ 接单片机的外部中断袁以中断方式读卡曰 NCS尧NWR尧NRD尧ALE 分别接单片机的片选尧读写信号尧锁存信

8、号线曰 RSTPD 接单片机的I/O 口袁复位芯片袁芯片初始化前先复位袁可以确定芯片是否工作曰 由于芯片自带地址锁存功能袁 地址和数据线复用袁接在单片机 P0 口.1援2指纹传感器 FPS200 电路指纹传感器类型主要有光学式尧压力式尧半导体式等.本设计采用半导体式中的电容指纹传感器FPS2004袁它具有尺寸小尧功耗低尧坚固耐用尧能自动搜索指纹图像等优点.其工作原理是传感器传感阵列每一点是一个电极袁充当电容的一极袁人的手指作为电容的另一极袁 传感器的表面的损耗层作为电容的介质层袁由于手指脊谷形成的电容大小不一袁先给电容充同样的电压袁然后以同样电流放电袁各个电容剩余的电压是不同的袁这些剩余电压即

9、可形成指纹的图像.FPS200 与处理器件的接口有 3 种方式院SPI尧USB尧总线.本系统采用总线方式袁在此方式下采集速率可达 30 帧/秒袁完全能满足门禁的要求袁具体电路图设计如下院CS1 接高电平袁CS0 接 ARM 的 nGCS1袁即FPS200 的地址为 ARM bank1 的地址曰 地址线尧 数据线尧 读写信号线直接与 ARM 连接袁 其他引脚按照FPS200 的数据手册连接即可.另外袁 为了方便调试袁最好将 FPS200 单独制板袁 并且将板上的模拟地和数字地分开.关于 FPS200 的电路设计袁 在一些论文中提到时序问题袁 认为读写 FPS200 过程中由于数据在数据线保持时间

10、太短袁会使处理器读不到数据袁所以要在处理器与 FPS200 之间加数据锁存芯片.笔者经过实验发现没有这个必要袁 因为 ARM 的总线的时序是可以调整的袁包括片选持续时间和读信号持续时间袁甚至片选电平等.因此袁在不能正确读写 FPS200 情况下就可以通过对 ARM 的相关寄存器赋值来调整 ARM 总线时序.1援3网络芯片 RTL8019 电路为实现门禁网络功能袁扩展了网络芯片袁选用芯片型号为 RTL8019.RTL8019 实现了介质访问层和物理层全部功能袁 符合 Ethernet IEEE802.3 标准曰 全双工收发可以同时达到 10 M 速率曰 内置 16 KB SRAM曰支持 8/16

11、 位数据总线.RTL8019 的工作方式有 3 种院跳线方式尧即插即用方式和免跳线方式.在嵌入式系统中一般采用跳线方式袁 只要将 65 脚 JP 接 1 个上拉电阻就可以选这种方式.RTL8019 的数据分为 16 位和 8 位 2 种袁本设计采用 8 位数据口袁 将 96 脚接一个 27 K 的下拉电阻就可以选择这种模式.RTL8019 的介质接口分为 AUI 和BNC 2 种袁BNC 支持 8 双绞线和同轴电缆 2 种模式袁本设计采用 BNC 接口方式袁将 64 脚 AUI 接地即可选择此方式.另外很重要一点是在设计电路时应当考虑芯片引脚的电压是否相同袁由于 S3C2410 的引脚为 3.

12、3 V袁而 RTL8019 的引脚为 5 V袁 所以在地址线上应该串联1 个电阻袁在数据线上应该加上 1 个电平转化芯片袁本设计采用 74 LVC4245袁 此芯片可以将 5 V 和 3.3 V 相互转化.2软件设计门禁系统工作过程如下院门禁系统初始化完成后处于等待状态袁当有使用者对门禁进行操作时袁门禁图 2FM1702 电路图Fig.2FM1702 circuit diagramY2AD4AD5AD6AD717181920212223242526272829303132OSCOUTRSTPDVMIDRXAVSSAUXAVDDDVDDA2A1A0ALED7D6D5D4OSCINIRQMFINM

13、FOUTTX1TVDDTX2TVSSNCSNWRNRDDVSSD0D1D2D312345678910111213141516TX1TVDDTX2RDWRRC500CSRC500_IRQAD0AD1AD2AD3ALEVCCVCCAVDDRXVMIDRC500_PDU2MFRC500C1715pFC1615pF13.56 MHz荣锋袁等院基于网络的门禁系统的设计57要要PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 天津工业大学学报第 27 卷系统对使用者身份进行识别袁验证通过则开门袁同时将使用者信息通过网络传到服务器袁服务器对信息进行记录袁 以备后查.因此本系统的软件可以分为 2

14、部分院 单片机软件和服务器软件.服务器软件可以采用VC尧Delphi 等高级语言编写袁 主要有网络接口模块和数据库模块 2 部分.数据库可以选择 SQL尧ACCESS等.本文将主要介绍单片机软件.单片机软件首先初始化整个系统袁包括设置门禁模式曰 初始化 LCD袁显示时间等信息曰 设定 IP 地址袁 测试网络是否畅通曰 然后进入等待状态袁有中断发生则响应相应中断袁采集指纹或者读射频卡袁进行识别袁决定是否开门袁同时传输信息到服务器.单片机软件的主要模块有以下几个部分院指纹读取识别模块尧嵌入式 TCP/IP 模块和射频卡读写模块.2援1指纹读取识别模块程序设计指纹读取主要是对FPS200的操作5.首

15、先对FPS200初始化袁初始化的寄存器主要有 DTR尧DCR尧PGC.DTR尧DCR 用于设置放电时间和放电电流袁PGC 用于设置增益.由于 FPS200 的数据手册没有给出 DTR尧DCR 的值袁在一些论文中对这 2 个值的设置进行了讨论袁一般认为 DTR 设置为 0X23袁DCR 设置为 0X01 采集的指纹图像比较理想袁但是笔者在实际读取发现并非如此.首先袁除与指纹干湿度相关外袁还与电路板电气特性有一定关系.比如 ISET 接的电阻大小尧数字地模拟地是否分开等袁因此对于不同的应用环境和电路板参数的设置应该是不同的.在设置完各个寄存器后袁 将寄存器 CTRLA 设置为 0X02袁启动 A/

16、D 转化袁循环读取CTRLA袁即得到指纹像素值.程序流程如图 3 所示.指纹识别算法6主要分图像的增强尧滤波尧二值化尧细化尧特征值提取和匹配几个步骤.由于 ARM9 的处理速度可达到 200 MHz袁 而且指纹处理算法运算并不复杂袁 因此可以达到门禁的要求.其中的滤波算法最耗费时间袁因此很多滤波算法不适合嵌入式要求7袁应当做好选择和改进.2援2嵌入式 TCP/IP 模块软件设计TCP/IP 协议是一个非常完备的协议族袁在普通的计算机中有足够的资源和处理能力来实现它袁但是在将该协议移植到嵌入式系统时袁考虑到嵌入式系统存储空间和处理速度的限制袁 应当对其做适当的裁剪.图 4 所示为 TCP/IP

17、协议框图袁图 4渊a冤是一个完备的TCP/IP 的协议层.ARP 协议为地址解析协议袁即把节点的 IP 解析为对应的 MAC 地址.ARP 协议会建立 1 个 ARP 缓存表袁发送 IP 报时袁查找 ARP 缓存表袁得到目的地址的 MAC 地址袁 因此 ARP 协议是必须的.IP 协议是TCP/IP 协议族的重要组成部分袁 对上层协议的数据报加入源地址 IP尧目的地址 IP尧校验等信息袁提供不可靠的数据报传输功能袁 因此 IP 也是必须的协议.TCP 协议提供面向连接的尧可靠的尧无重复的尧双向的数据传输服务袁 在建立连接过程中要进行 3 次握手袁关闭连接进行 4 次握手袁因此 TCP 协议是

18、TCP/IP协议中消耗资源最多尧最复杂的协议.考虑到门禁的实时性要求以及传输的数据量袁 本设计不采用 TCP协议.UDP 协议提供了发送接收 IP 数据报的方法袁它不负责重新发送丢失或出错的数据报袁 不对收到数据报排序袁 不建立和断开连接袁 因此 UDP 协议使用简洁尧 实时袁 在本系统中即采用此协议传输数据.但是考虑到 UDP 协议的不可靠性袁 作者设计了 1 个简单的应用层协议渊R-UDP冤袁来保证 UDP 协议的可图 3指纹读取程序流程图Fig.3Detection of fingerprint programming flow diagram读取 CTRLA 的值CTRLA 设置为 0

19、伊02等待行捕捉时间等待 A/D 转化时间行读完钥整图读完钥结束开始读取指纹NYYN图 4TCP/IP 协议框图Fig.4TCP/IP protocol block diagramHTTPFTPPOP3SMTPSNMPR-UDPUDPICMPARPIPUDPIGMPICMPTCPIPARP硬件驱动硬件驱动硬件驱动渊a冤 TCP/TP 裁剪前渊b冤 TCP/TP 裁剪后58要要PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 1 期实现了在微电极上同时测量 4 种组分浓度的预期目的.在性能指标上袁 测量一致性指标全部达到预期目标袁血糖尧总胆固醇和酮体的准确度较好袁而乳酸测量准确性

20、较差.其中的主要原因经分析与测量方法有关袁因此在进行电流-浓度曲线的拟合时袁存在一定的拟合误差.此外袁 在电极制备和固定酶方面的工艺比较复杂袁通过工艺改进袁有望提高系统的准确度.参考文献院1MANZ A.Miniaturized total chemical analysis systems:A nov鄄el concept for chemical sensing J.Sensors and Actuators BChemical袁1990袁 1渊1冤院244-248.2张先恩.生物传感器M.北京院化学工业出版社袁2006.3HOLGER Becker袁 ANDREAS Manz.Minia

21、turized total analy鄄sis systems:Microsystem technology entering the life sciencesJ.Science Progress袁 1996袁 79渊1冤:49-63.4LI G袁 MA N Z袁 WANG Y.A new handheld biosensor for mon鄄itoring blood ketones J.Sensors and Actuators B Chemical袁2005,109渊2冤院285-290.5GUAN W J袁 LI Y袁 CHEN Y Q.Studies of carbon nanot

22、ube-enzyme complex system J.Biosensors and Bioelectronics袁2005袁21渊4冤院495-500.6AOKI K袁MORITA M袁NIW A袁 et al援 Quantitative analysis ofreversible difusion-controlled currents of redox soluble speciesat interdigitated array electrodes under steady state conditionsJ援 J Electroanal Chem袁 1988袁 256:269-282

23、援7COHEN Adam E袁KUNZ Roderick R援 Large-area interdigitatedarray microelectrodes for electrochemical sensingJ援 Sensorsand Actuators B袁 2000袁 62:23-29援8PAESCHKE M袁WOLLENBERGER U袁KOHLER C袁et al援 Pro-perties of interdigital electrode arrays with different geometriesJ援 Analytica Chimica Acta袁1995袁 305:126

24、-136援9梁争喜袁陈才和袁刘杰袁等.多参数血液分析型生物传感器的研究J.传感技术学报袁2006袁19渊1冤院60-62.靠性和实现多数据报的可排序性.单片机和服务器之间进行通信时首先做 1 次握手袁确保网络畅通袁每发送 1 个 UDP 数据报后袁 单片机内 1 个定时器开始计时袁 在服务器收到 UDP 数据报后发送 1 个确认报袁 假如单片机在确定的时间内没有收到确认报则认为数据报丢失袁重新发送该数据报袁在确定的时间内收到了确认报则认为发送成功袁 开始发送下一包数据袁这样就基本保证了数据传输的可靠性.同时在UDP 数据报的有效数据区的第 1 字节作为 UDP 数据报的计数部分袁 服务器在收到

25、同样序号的数据报时袁可以认为是重复数据报袁可以进行删除袁同时可以按该字节排列 UDP 数据报.最后在 1 次通信完成后发送 1 次结束握手信号.整个裁剪后的TCP/IP 协议如图 4渊b冤所示.2援3射频卡读写模块软件设计对卡的操作程序主要有 5 步院淤复位应答袁即寻卡袁寻卡模式有 2 种袁寻全部的卡和寻处于停止状态的卡曰 于防冲突袁在多张卡进入读写器范围内时袁防冲突机制可以选其中 1 张卡进行操作袁未选中者处于空闲模式袁 等待下次选卡曰 盂选卡袁 选择被选卡的序列号袁同时返回卡的容量代码曰 榆3 次相互认证袁读卡器的密码与卡的密码相互认证袁 之后通过加密流通信曰虞最后对卡的扇区进行操作袁本系

26、统为读取门禁使用者信息.由以上的操作步骤可以看出射频卡的安全性是很高的袁能保证门禁系统的安全性.3结束语系统设计完成后进行了一系列测试袁 首先通过ping 命令测试网络可以通信曰 然后 PC 机发送几千帧数据报到门禁系统袁没有发生丢报情况袁证明 R-UDP数据报的传输可靠性曰 指纹识别测试发现误识率为0.7袁拒识率为 6.4袁这也是本系统需要进一步改进的地方曰 射频卡读写正常.总之袁 本研究采用双处理器袁集成多种技术袁外扩多种功能模块袁开发了这一新型门禁系统.经实际测试试用袁系统工作稳定袁使用简洁尧方便袁具有一定的应用价值.参考文献院1周立功.ARM 嵌入式系统软件开发实例M.北京院北京航空航

27、天大学出版社袁2002.2徐明进.FPS200 在基于 DSP 的嵌入式系统中的应用J.重庆大学学报袁 2006袁7渊1冤院23-25.3雷建龙.嵌入式系统中的 TCP/IP 协议的精简与实现 J.微计算机信息袁2006袁6渊2冤:25-26.4FPS200 Datasheet.Veridicom corporation 2002EB/OL.http:/.2002-10-11.5谢大刚.警用活体指纹采集仪的实用设计J.电视技术袁2007袁3渊2冤:30-31.6吴志用.多生物特征识别平台的设计和实现 J.小型微型计算机系统袁2006袁7渊2冤:26-27.7MAIO D袁MALTONI D.Direct gray-scale minutiae detection infingerprinter J.IEEE trans on Pattern Analysis and MachineIntelligence袁1997袁19渊1冤:27-40.渊上接第 49 页冤荣锋袁等院基于网络的门禁系统的设计59要要PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建