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人员门禁系统设计与实现】

人员门禁系统总体设计本文设计的门禁系统采用无线通信技术,鉴于在1.3.2节分析了无线通信技术在无线传感网应用中的缺陷。

因此本文从网络架构和功能架构两个方面分析系统:1)架构框架设计为了较好避免无线网络在实际应用中的缺陷,系统整体架构采用有线与无线相结合的方式。

在门禁系统(包括人员和车辆)中的实际拓扑图如图4-1所示图4-1ZigBee无线门禁系统架构拓扑图2)功能框架设计本文设计的ZigBee无线人员门禁系统基本功能框架如图4-2所示:内网分别由无线ZigBee模块和有线CAN总线模块负责组网并实现系统控制。

无线ZigBee模块作为网络中节点进行数据传输和控制的无线接口,接入的功能模块主要有门禁控制点、ZigBee转发节点、发卡器节点。

CAN总线模块作为架构中ZigBee转发节点的互联媒38介,一定程度上解决信号差和干扰的问题,以求让系统更稳定。

外网则由TCP/IP模块和GPRS模块负责通信。

此外系统中按键作为输入方式,输出方式则有LCD和客户端两种。

按键TCP/GPRS内网CAN有线Zigbee无线LCD/客户端Zigbee转发节点门禁控制点发卡器输入输出外网图4-2ZigBee无线人员门禁系统功能框架图4.2人员门禁系统硬件设计4.2.1网络控制器硬件电路设计网络控制器是系统的数据汇聚点,硬件模块如图4-3所示:图4-3网络控制器硬件模块图最小系统模块保证ARM芯片正常运行;电源模块采用开关电源LM2575-5配合线性电源AMS1117-3.3使用,以求电量损耗和价格的平衡。

输入电压为12v,提供系统的电压为5V和3.3V;其中3.3V用于ARM处理器内核以及部分片上功能模块,39而5V则给另一部分片上功能模块供电。

网络控制器的存储部分采用SD卡和eeprom混用方式,即eeprom充当二级缓存,缓解处理速度与存储速度之间的矛盾;然而eeprom容量小且价格贵,因此选择SD卡解决容量和价格之间的矛盾。

具体运作方式如下:发送之前的数据暂存在64kb的eeprom中,等待发送成功;采用重发机制后若发送成功,则清除eeprom中的相应数据,依然失败的数据从eeprom搬运到SD卡中作为历史数据记录等待上位机查询。

输入模块、输出模块以及其它的外围电路如时钟模块、I/O模块等均是必备且比较常用,在这里不再赘述。

下面对通信模块作详细描述。

4.2.1.1以太网接口模块本系统采用TI公司生产的ARM架构CORTEX-M3系列的LM3S9B92芯片,其片内资源丰富,自带了以太网控制器,具有完全集成的、具有媒体独立接口(MII)的媒体访问控制器(MAC)和物理层(PHY)接口。

该以太网控制器遵循“IEEE802.3”规范,完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准[45]。

具有以下特性:1)全功能自协商。

2)多种工作模式:100/10Mbps全双工和半双工、节点和掉电模式。

3)可配置性强:MAC地址可编程、CRC错误拒绝控制盒终端可配置等。

4)PHY操作性强:自动MDI/MDI-X交叉校验、寄存器可编程幅度、自动极性校正和10BASE-T信号接收。

5)支持uDMA通道传输。

实现网络传输,除了上述的lm3s9b92自带的以太网模块实现协议功能外,还得需要网络变压器;主要实现三个方面功能,其一是实现差分信号和不同电平间的转换;其二是隔离网络间的不同电平,预防损坏设备;其三是利用耦合线圈增强信号。

本文综合防雷等多方面考虑,采用HanRun公司生产的一款集成LED和网络变压器的RJ45网络接口HR911105A。

二者的电路接口如图4-4所示40图4-4以太网接口模块4.2.1.2CAN接口模块以太网接口模块负责与外网通信,而本节将要描述的CAN接口模块负责与内网的通信。

实现CAN协议功能方案一般分为三种:1)MCU+CAN协议控制器+CAN收发器;2)集成CAN协议控制器MCU+CAN收发器;3)将CAN协议控制器和CAN收发器集成于一体的MCU。

因为本系统使用LM3S9B92芯片,因此选用第二种解决方案(LM3S9B92自带的CAN协议控制器+CAN收发器)。

LM3S9B92包含两个CAN协议控制器,具有以下特性:1)支持CAN总线协议2.0A/B。

2)位速率最高可达1Mbps。

3)32个报文对象,每个报文对象都具有独立的标识符掩码。

4)可屏蔽中断。

5)支持禁用自动重新发送(DisableAutomaticRetransmission,简写为DAR)模式,因此可用于时间触发CAN(TimeTriggeredCAN,简写为TTCAN)应用。

6)自测试操作具有可编程的回送模式。

7)可编程的FIFO模式,能存储多个报文对象。

CAN收发器使用TJA1050芯片,具体参数可参看Datasheet,与LM3S9B92的典型连接图如图4-5所示,CAN模块的外接保护电路有很多种(防雷、防过压),但在实际应用中,考虑成本等问题,可根据实际情况省去一部分保护电路。

41TXD1RXD4STB8NDG2CVC3SPLIT5CANL6CANH7U5TJA1050GNDR115.112P2Header2VCC5C410.1uFGNDD21p6smb6.8GNDD20p6smb6.8GNDR125.1R1312012P3Header2图4-5CAN接口模块图4.2.2就地控制器硬件电路设计就地控制器实现门禁系统最低端的门禁控制功能,其硬件电路模块如图4-6所示:图4-6就地控制器硬件电路图考虑到门禁就地控制器对处理能力要求较低,而要求片上具有较多的I/O口资源;因此采用LM3S2965芯片作为主控芯片;一方面负责门禁控制功能的实现,另一方面通过spi接口与ZigBee无线模块CC2530通信实现数据的传输。

与网络控制器相比,就地控制器多了控制模块、感知模块,分别实现门禁的命令输出与数据输入。

电源部分因为门禁系统的特殊性,需要在断电情况下也要一定程度上保证系统的安全,因此多加了ups电源,可脱机使用。

42就地控制器数据较网络控制器少,所需要的处理能力也同样较低,因此本系统采用flash单独实现存储。