基于MSP430的防尾隨門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

　　摘要：針對(duì)某些安全等級(jí)較高的場(chǎng)所的門(mén)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(duì)進(jìn)入場(chǎng)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(mén)禁系統(tǒng)，提出了運(yùn)用接近傳感器與稱(chēng)重傳感器相配合，并結(jié)合門(mén)禁卡的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行防尾隨控制，通過(guò)稱(chēng)重傳感器檢測(cè)的體重?cái)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的重量數(shù)據(jù)相比對(duì)，確定現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，控制通道開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)閉，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和各門(mén)禁系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交互更新，從而提高了門(mén)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?cè)絹?lái)越注重安全防范，門(mén)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(mén)禁系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)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(mén)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(mén)禁卡進(jìn)行信息的識(shí)別和確認(rèn)存在一定的問(wèn)題。如果在1個(gè)人刷卡正常進(jìn)出門(mén)的時(shí)候，其他人趁門(mén)開(kāi)啟的間隙尾隨進(jìn)出，大多數(shù)的門(mén)禁卡控制系統(tǒng)無(wú)法對(duì)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(guò)，這就涉及到了防尾隨問(wèn)題。在有的對(duì)安全要求較高的大型場(chǎng)所，往往其出入口也不止1個(gè)，這時(shí)候單個(gè)門(mén)禁的數(shù)據(jù)就要及時(shí)的同其余門(mén)禁的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以滿(mǎn)足于人員從1個(gè)門(mén)進(jìn)，從另1個(gè)門(mén)出的這種情況，這就需要各個(gè)門(mén)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(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用位置傳感器與稱(chēng)重傳感器相結(jié)合，并配合門(mén)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(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)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(wèn)題。

　　1　防尾隨門(mén)禁系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　1.1　防尾隨門(mén)禁系統(tǒng)電路原理

　　防尾隨門(mén)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(hào)，控制電磁鐵實(shí)現(xiàn)裝置的開(kāi)閉，在人員通過(guò)通道的過(guò)程中采集稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)對(duì)應(yīng)識(shí)別信息相比對(duì)。如果現(xiàn)場(chǎng)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(kù)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(kù);如果現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，原數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)不更新。

　　圖1　防尾隨門(mén)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(mén)禁系統(tǒng)的客戶(hù)端，主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、重量信號(hào)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(guó)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(jiǎn)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(xiě)10萬(wàn)次;具有JTAG調(diào)試口，可以在線(xiàn)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行下載和調(diào)試[3-5]。

　　1.2.2　重量信號(hào)采集模塊：重量信號(hào)采集部分電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片傳感器信號(hào)濾波放大并且進(jìn)行A/D采樣的功能，人員踏上稱(chēng)重平臺(tái)開(kāi)始采樣，轉(zhuǎn)柵原始位置傳感器信號(hào)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(chēng)重精度誤差在5%以?xún)?nèi)。本文采用差分信號(hào)的專(zhuān)用集成芯片AD7705來(lái)進(jìn)行重量信號(hào)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(zhuān)用差分信號(hào)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(mén)禁系統(tǒng)之間要進(jìn)行信息的交互更新，就需要通過(guò)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(lái)組織數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)通道數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(lái)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(guò)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(xiàn)、間接并行總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)，使得W5100與MCU 接口非常簡(jiǎn)單，就像訪(fǎng)問(wèn)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(jiǎn)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(hào)間的隔離：該系統(tǒng)中需要接入多種傳感器信號(hào)(韋根信號(hào)、接近傳感器信號(hào)、稱(chēng)重傳感器信號(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類(lèi)的期間電磁干擾也比較厲害，對(duì)重量傳感器信號(hào)的采集極為不利。因此在設(shè)計(jì)這些接口部分時(shí)一定要做好隔離措施，本文采用TLP521光電耦合器件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)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(hào)，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(zhǎng)，傳輸效率高。它廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)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(mén)禁系統(tǒng)工作原理

　　防尾隨門(mén)禁系統(tǒng)的1個(gè)通道包括進(jìn)門(mén)和出門(mén)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(hào)燈指示狀態(tài)，出門(mén)方向設(shè)置了1個(gè)按鈕，作為手動(dòng)開(kāi)門(mén)的備用控制。平時(shí)信號(hào)紅燈亮，電磁鐵吸合時(shí)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)綠燈亮，信號(hào)紅燈滅。通道底部放置1個(gè)進(jìn)出門(mén)共用的稱(chēng)重裝置。頂部有3個(gè)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)柵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，1號(hào)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)為出門(mén)電磁鐵斷電控制信號(hào);轉(zhuǎn)柵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，3號(hào)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)為進(jìn)門(mén)電磁鐵斷電控制信號(hào)。2號(hào)接近開(kāi)關(guān)為原點(diǎn)位置檢測(cè)，沒(méi)有信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)柵沒(méi)有回位，電磁鐵不能動(dòng)作。位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)原理如圖3所示。

圖3　位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)原理

　　人員刷卡后，讀卡器的韋根26信號(hào)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(mén)信號(hào)給數(shù)據(jù)處理電路，此信號(hào)為繼電器干接點(diǎn)信號(hào)。數(shù)據(jù)處理電路接到進(jìn)門(mén)信號(hào)后，檢測(cè)轉(zhuǎn)柵是否在原點(diǎn)，如果轉(zhuǎn)柵在原點(diǎn)，控制對(duì)應(yīng)的電磁鐵吸合，以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)綠燈亮，并發(fā)出提示音“請(qǐng)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(mén)信號(hào)，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(kù)內(nèi)查詢(xún)，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(guò)閾值;如果超過(guò)閾值，則釋放電磁鐵，對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hào)作為報(bào)警信號(hào)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)不更新;如果不超過(guò)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(kù)，人員通過(guò)。這種方法可有效的檢測(cè)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(hào)識(shí)別卡的信息，識(shí)別通過(guò)后發(fā)出1個(gè)開(kāi)門(mén)信號(hào)給數(shù)據(jù)處理電路，控制繼電器開(kāi)門(mén)。同時(shí)數(shù)據(jù)處理電路將接收到的韋根信號(hào)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行查詢(xún)比對(duì)，是參觀人員的話(huà)直接通過(guò)閘機(jī)，關(guān)門(mén)，不是參觀人員則調(diào)用稱(chēng)重防尾隨子程序，獲取稱(chēng)重傳感器的重量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的持卡人體重進(jìn)行比對(duì)，符合設(shè)定范圍的通過(guò)閘機(jī)，關(guān)門(mén)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中更新體重信息，超出設(shè)定范圍的報(bào)警，關(guān)門(mén)，等待下一次刷卡。

圖4　軟件流程

　　對(duì)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(mén)禁系統(tǒng)應(yīng)用于某電廠(chǎng)各高危區(qū)域的進(jìn)出通道控制，并進(jìn)行了調(diào)試測(cè)試。

　　作者簡(jiǎn)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

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