基于STM32的智能門禁系統設計探究

孟 洋

（長沙民政職業技術學院，湖南 長沙 410004）

0 引 言

研究基于STM32的智能門禁系統的設計方法，需了解STM32的基本定義。結合當前門禁系統的基本應用情況，通過指紋識別、射頻系統2種技術結合相關輔助設備，以STM32為基礎完成智能門禁系統設計，并實現系統在用戶登錄、信息管理、門鎖控制、信息管理等方面的功能，切實提升門禁系統的使用效果，保證建筑內人員安全。

1 STM32概述

STM32是意法半導體（ST）集團生產的基于ARM公司Cortex-M3內核的32位高性能微控制單元（Micro Controller Unit，MCU），其中ST指芯片制造商意法半導體，M指微控制器，32指32位的微控制器。目前來說，STM32廣泛應用于工業自動化控制、掃地機器人、四軸飛行器、智能手環以及智能門禁等多個領域。

2 基于STM32的智能門禁系統硬件設計

2.1 硬件設計方案

硬件電路是整個門禁系統正常運行的物質基礎，在考慮開發可行性的基礎上，還需要兼顧系統的性能、成本、功能等，以此來確定系統的整體硬件設計方案。硬件系統單片機選擇的是STM32F103ZET6，其他模塊包括繼電器模塊（射頻識別、指紋識別等）、射頻讀寫芯片（MF RC522）、光學指紋識別模塊（AS608），通過C#軟件系統進行人機交互界面編寫，再以串口進行STM32F103ZET6、上位機通信。系統結構分布情況：中間模塊為STM32F103ZET6；上部模塊包括上位機、電源、繼電器以及蜂鳴器；下部模塊包括MF RC522、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）液晶顯示模塊以及AS608指紋識別模塊[1]。

2.2 MCU主控芯片選取

選擇的主控制器為ARM Cortex-M3內核的32位微處理器STM32-103ZET6，該芯片包括32位內核，存放數據、程序的閃存存儲器達到512 kB，工作頻率能夠達到72 MHz的內置中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、靜態隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM），可直接進行周期訪問，具備輸入輸出（Input/Output，I/O）端口、與外圍總線（Advanced Peripheral Bus，APB）連接的外設以及相應數量的高級定時器、基本定時器、通用16位定時器、12位數模轉換器（Analogue-to-Digital Conversion，ADC）以及通信接口等。同時，配備了可變靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，FMSC）模塊，用于連接液晶顯示器（Liquid Crgstal Display，LCD）、擴展SRAM，以FSMC直接驅動LCD；為便于后期維護，選擇以R8、R7電阻隔離MCU、外部電源[2]。

2.3 串行外設接口

串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI）用于解碼器、數字信號處理器、實時時鐘、FLASH以及EEPROM之間，芯片管腳需通過MISO、MOSI、SCLK、NSS這4根線連接外部器件。其中，MISO指設備輸入/輸出信號線；MOSI指輸出/輸入信號線；SCLK指時鐘信號線，主機產出輸出，并進行設備輸入；NSS指從設備選擇信號線，在有數個從設備連接MCU時，通過主機操控設備從設備的NSS信號線設定為低電平，選中從設備，如此可規避與SPI可能出現的沖突[3]。

2.4 指紋傳感器

傳感器是前端設備，用于采集指紋圖像，其對門禁系統能否發揮作用起到重要的影響，可從以下數個方面考慮如何選取傳感器。一是對濕手指、干手指等不同手指有著高適應性；二是可進行活體指紋鑒別，例如可直接判斷出橡膠手指、指模等并非人的手指；三是抗靜電能力強；四是壽命長等。綜合以上因素，可選擇ATK-AS806光學指紋識別裝置，該裝置有著豐富的功能，包含31條指令，ATK-AS806指令功能示例分析如表1所示。

表1 ATK-AS806指令功能

2.5 射頻識別設計

指紋傳感器在應用過程中可能會因手指干、指紋臟污、磨損等原因造成指紋難以正常識別，針對該種情況，引入射頻識別裝置，采用的是MF RC522射頻讀寫芯片，可實現自動尋卡[4]。在進行MF RC522接口設計時，考慮到MF RC522支持各種形式的微控制器接口，包括串行通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte，UART）接口、內部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）總線、SPI等。各種形式的接口模式要求以對應的管腳連接，故而須設定一一對應的程序；門禁系統中的STM32以SPI總線連接MF RC522，傳輸速率最高可達10 Mb/s，I2C與低電平對接，EA與高電平對接，其他暫時不用的管腳可以懸空處理。SPI接口管腳各種連接方式如表2所示。

表2 SPI接口管腳各種連接方式表

3 基于STM32的智能門禁系統軟件設計

軟件系統設計由C#完成，可應用于Windows 11系統，通過Visual Studio22設計應用程序，從以下要點進行分析。

3.1 軟件設計流程

（1）建設Windows窗體項目。點擊菜單命令文件，后續按照固定的流程完成建設工作，包括選擇適宜的模板，設定保存位置、輸入名稱，確定項目創建。

（2）添加控件以及設計用戶界面。借助工具箱選擇窗體適宜位置一一添加各種控件，打開屬性窗口，設置各項空間的顏色、位置、大小等[5]。

（3）程序代碼設計。通過Windows程序確定基本的編制機制，根據控件或者窗體可支持的事件、方法進行編寫。

（4）程序運行、測試。點擊菜單啟動程序，完成程序測試。

（5）項目保存。點擊菜單命令文件，將保存項目全部保存。

3.2 功能模塊設計

（1）登錄模塊。用戶在輸入申請的賬號、密碼后完成身份驗證，身份確認無誤后方可進入系統。

（2）用戶管理。選擇具體識別方式包括指紋識別、射頻識別，在上位機裝設通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）轉串口的驅動程序，與串口連接后，可智能化完成硬件驅動程序安裝，設備管理器可查看并打開串口。該模塊用戶可輸入基本信息、指紋信息、卡號等，并可刪除射頻卡、指紋信息。用戶權限設定為普通用戶、高級用戶，其中普通用戶只能選擇1種開門方式，而高級用戶擁有2項權限，并定期清理長久不再使用的指紋、卡片信息[6]。

（3）操作日志記錄。該模塊用于記錄軟件系統歷史操作，按照列表方式呈現，用戶可通過輸入關鍵詞的形式查詢操作日記記錄，并可刪除相關記錄。

（4）信息查詢。記錄用戶各個時間段出入門禁狀況，在“起止時間”條框輸入查詢時間，顯示該時間段內門禁使用情況，并可導出查詢結果，用戶可結合導出記錄表統計各個階段的指紋驗證信息、刷卡信息等[7]。

（5）門鎖控制。控制中心發送指令，通過STM32控制繼電器，確保特定時間開啟、關閉大門，如在出現火災事故時及時開啟大門用于人群疏散。

（6）指紋模塊功能。啟動系統后，實現對微控制器、AS608等裝置的初始化處理，再安排后續的檢測工作，進行觸摸感應狀態感應，在感應到觸摸鍵值為刪除或者錄入指紋后，執行指紋庫管理工作，實現指紋清空、刪除、登記等任務。指紋識別模塊檢測到指紋后進行指紋認證，發送PS_GetImage取圖像指令，存儲到ImageBuffer，通過if語句判定指紋圖像獲取是否成功。如果成功，則進行指紋圖像特征提取，生成模板，并通過PS_HighSpeedSearch以1∶N匹配模式進行指紋庫搜索。如果可尋找到匹配指紋，則開門；如果匹配不成功，則重新進行指紋采集以及搜索匹配。若是3次匹配不成功，系統鎖定，等待10 min后再次使用[8]。

（7）射頻模塊功能。啟動門禁系統后，進行微控制器、MF RC522端口初始化，涉及MF RC522寄存器初始化配置、SPI初始化等。完成初始化后，在系統感應到射頻卡后，自動啟動防沖突程序，確保只有1張卡片能進行認證。如果認證成功則開門，如果失敗重新尋卡，在3次認證都表示失敗后，系統自鎖、掉電[9]。

（8）數據庫模塊。數據庫主要是結合數據結構進行各項數據的采集、存儲、組織以及管理等，結合用戶要求完成需求分析，結合系統功能、需求分析結果，規劃數據庫實體對象。通過實體-聯系（Entity Relationship，E-R）圖分析數據結構，其中用戶連接用戶編號、賬號、密碼，而用戶信息實體數據包括編號、姓名、性別、聯系電話、住址以及卡號等，用戶開門信息實體數據包括編號、開門編號、開門時間、事件類型，系統日志記錄實體數據包括操作編號、操作人編碼、操作內容、操作日期以及操作網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址。通過數據庫模塊實現各項數據的綜合化、整體化管理，確保數據的真實、有效、可靠、全面以及實時性，提升門禁系統的智能化水平[10]。

4 結 論

基于STM32的門禁系統設計展開了論述與分析，具體實踐中需要給予STM32的門禁系統足夠的重視，分析各個模塊設計的優勢與不足，發揚優勢、彌補不足，關注門禁系統應用實效，結合其應用反饋其對加以調整、優化，使其發揮出更好的應用效果。