基于Bluetooth的智能門禁終端設計

狄 婧

(長春師范大學網絡中心，吉林長春 130032)

基于Bluetooth的智能門禁終端設計

狄 婧

(長春師范大學網絡中心，吉林長春 130032)

作為智能家居和智能樓宇的排頭兵，智能門禁對于加強人員管理和安全防范等具有重要作用。本文采用Bluetooth(藍牙)4.0無線技術設計一種高可靠性、高效便捷的智能門禁終端，完成語音、數據同傳和處理，給出了詳細的硬件描述。通過以太網接口可有機接入智能家居或智能樓宇系統，操作簡單、成本低。實際運行結果表明終端穩定可靠，能有效對門禁進行控制。

智能家居；Bluetooth；DSP；門禁

隨著Bluetooth無線技術逐漸成為便攜式智能設備的標準配置，炙手可熱的智能家居產品大范圍普及[1]。具備智能化的大門作為家居的第一道“防線”，其重要位置不言而喻，智能門鎖應運而生[2]。傳統的鎖具不能進行交互，導致其應用受到了很大的限制。隨著藍牙技術的成熟應用[3]，采用Bluetooth 4.0無線技術實現高可靠性、高效便捷門鎖，且通過相應軟件系統和智能家居或樓宇系統進一步進行交互。將試圖開啟智能門鎖的用戶數據、語音等多種信息采集并傳輸到智能家居或樓宇控制管理系統中，實現對智能家居、智能樓宇等集中安全管理。

1 Bluetooth技術簡介

Bluetooth 技術最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發。它采用的是調頻技術(Frequency-hipping Spread Spectrum)，頻段范圍是2.402～2.480GHz[1]。其顯著優勢在于低功耗、短距離實現各種設備雙向無線通訊。在藍牙通信中，不要求固定的基礎設施，只需通過配有藍牙技術的電子產品(安裝Bluetooth芯片上的無線收發器)，自動檢查可用的配置文件，將其連接至使用同一配置文件的另一Bluetooth 設備，即可實現在約十米的距離內彼此相通，傳輸速度可以達到每秒鐘1MB。

藍牙設備有兩種可能的角色，分別為主設備和從設備，同一個藍牙設備可以在這兩種角色之間進行轉換[4]。一個藍牙主設備可以最多同時和7個從設備通信。在任意時刻，主設備單元可以向從設備單元中的任意一個發送信息，也可以用廣播方式同時向多個從設備發送信息。與WIFI無線技術相比，Bluetooth 技術雖然在速度上略有不及，但卻更省電，更節省資源，更環保，對人體有害的電磁輻射的危害也要更小。藍牙技術是實現輕量級互聯的一個有效手段，因此得到了廣泛應用[1,4-5]。

2 智能門禁終端總體設計

智能門禁終端是以數字信號處理器(TMS320VC5402)為主控，包括語音采集和處理單元、以太網接口及藍牙無線接口等部分組成。其工作原理是智能門禁終端采用Bluetooth無線技術與用戶手機無縫鏈接，采集用戶信息；其它控制單元協助處理如語音采集及壓縮、數字/模擬信號轉換等，經過DSP進行數據處理后，將結果通過以太網協議棧封裝后進行遠距離傳輸到智能家居或樓宇控制系統。其總體框架如圖1所示。

圖1 智能門禁終端框圖

TMS320VC5402是TI公司推出的性價比較高的定點數字信號處理器，獨特的6總線哈佛結構，使其6條流水線同時工作，工作頻率達到100MHz。VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I/O口(GeneralPurpose I/O，GPIO)外，還為用戶提供了多個可選的GPIO：HPI-8和McBSP。其主要特點有：(1)操作速率達100MIPS；低功耗，工作電源3.3V和內核1.8V。(2)具有先進的多總線結構(1條程序總線、3條數據總線和4條地址總線)。(3)40位算術邏輯運算單元(ALU)，包括1個40位桶形移位寄存器和2個獨立的40位累加器；雙地址生成器，包括8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術運算單元(ARAU)。(4)數據/程序尋址空間1Mx16bit，內存4Kx16bitROM和16Kx16bit雙存取RAM。(5)內置可編程等待狀態發生器、鎖相環(PLL)時鐘發生器、2個多通道緩沖串行口、1個8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個16位定時器以及6通道DMA控制器。

終端采用并行Bootload的方法實現VC5402的引導裝載，首先將它的MP/MC管腳接低，然后通過LATTICE公司的CPLD芯片M4A3-192設計組合邏輯實現FLASH芯片SST39VF400A的片選和數據線方向控制。并利用Flash存儲器燒寫程序將引導表寫入從地址單元8000H開始的Flash，將引導表的首地址8000H寫入Flash存儲器的FFFFH單元。在芯片加電復位時，程序就從內部ROM的FF80H地址開始運行。在FF80H處，有一條跳轉到BOOT程序的指令，執行內部固化好的BOOT程序，從而實現并行引導裝載。

3 Bluetooth接口模塊設計

無線門禁終端藍牙模塊采用挪威Nordic VLSI公司(北歐集成電路公司) 推出的超低功率Blue nRF8001芯片，其峰值電流僅為12.5 mA，在連接狀態的平均電流不到12μA，用一個鈕扣電池供電時電池使用壽命可達幾年。采用nRF8001的另一個重要特點是緊湊的32引腳 QFN封裝，尺寸僅為5×5mm。它把射頻通信、鏈路層和主機都納入一個EPL列表，還集成了一個獨特的32kHz高精度RC振蕩器，大大降低了外圍器件成本，是完整的Bluetooth 4.0版本低功耗芯片。nRF8001藍牙芯片內部集成了藍牙低能耗的物理層接口和協議引擎、應用控制器接口(ACI-Application Controller Interface)以及輔助的藍牙低能耗模擬子系統，如功率管理和晶振等。其內部框圖如圖2所示。

圖2 nRF8001內部結構框圖

nRF8001包含一個電源電壓監視器和一個溫度傳感器，它們可通過應用控制器接口(ACI)，也即SPI接口進行訪問。此外，nRF8001提供一個獨立的串行接口(UART)用來進入藍牙低功耗直接測試模式(DTM-Direct Test Mode)，該接口主要用來控制藍牙低功耗射頻(RF PHY)，以及方便與藍牙質量測試設備進行接口，而且該接口可用來測試藍牙性能和優化天線。nRF8001提供應用控制器接口(ACI)與主控DSP連接，nRF8001與TMS320VC5402的連接原理如圖3所示。

圖3 nRF8001與主控連接示意圖

4 結語

本文所設計的智能門禁終端是一種基于Bluetooth4.0技術的新型門鎖設備，適用于智能家居或樓宇自動化管理系統。設備使用簡單、接口豐富、成本低。現場測試結果表明，該終端運行穩定可靠，實現了數據、語音實時傳輸，在智能家居等領域具有廣闊的應用前景。

[1]司鵬搏,胡亞輝,程源,等.藍牙技術[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2]常崢斌.高校圖書館智能門禁系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2010.

[3]李秀娟,明恩.應用藍牙技術的多通道數據采集與傳輸系統在線狀態監測與故障診斷[J].哈爾濱工業大學學報,2009,41(5):165-167.

[4]Kauh L. Development of a multipistion temperature telemetry system using bluetooth networks[J]. Journal of Automobile Engineering,2009,220(2):127-138.

[5]任小洪,傅成華,胡科.基于藍牙技術的無線數據采集系統設計[J].測控技術,2009,28(1):16-19.

Design of Intelligent Sub-station Based on EoVDSL in Coal Mine

DI Jing

(Network Center of Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032,China)

As an essensial part of intelligent home and building, intelligent access control devices play an important role to improve the management of persons and security. Using Bluetooth 4.0 wireless technology, this paper presents a highy reliable, efficient and convenient smart access control module which can transmit and process data and voice. Also, the detail hardware design is given. The module can seamless interface to smart home or building systems throght ethernet, which has features such as simple operation and low cost. The practical results show that the module can run stably and effectively achieve the access control.

intelligent home; bluetooth; digital signal processor; access control

2014-04-10

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字2012第223號)。

狄 婧(1981- )，女，吉林長春人，長春師范大學網絡中心實驗師，碩士，從事嵌入式系統和智能網絡控制研究。

TP274

A

2095-7602(2014)04-0044-03