基于SEP4020 的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

高柱明

（中山市技師學(xué)院，廣東中山，528400）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展以及社會經(jīng)濟的持續(xù)增長，安全問題日益突顯，如何有效地實現(xiàn)出入口的安全防范管理成了一個亟待解決的問題。為此，智能門禁控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。然而，當(dāng)前市場上的智能門禁控制系統(tǒng)種類繁多，各有優(yōu)缺點。因此，針對安全要求較高的環(huán)境，有必要研究一種基于嵌入式技術(shù)，以SEP4020 為核心的智能門禁系統(tǒng)，通過SQL 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)組織、存儲和管理的能力。在滿足安全要求的同時，該系統(tǒng)還具有良好的可擴展性，可根據(jù)不同的通訊方式選擇性地實現(xiàn)裝置和網(wǎng)絡(luò)的通信控制。

1 智能門禁系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

■1.1 SEP4020 處理器

SEP4020 處理器是一款高性能、低功耗的嵌入式處理器，廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備中。由于其出色的性能和穩(wěn)定性，SEP4020 處理器在智能門禁系統(tǒng)設(shè)計中具有重要價值。表1 展示了SEP4020 處理器與其他常見處理器的性能對比。從表中可見，SEP4020 處理器在主頻、內(nèi)核數(shù)量和功耗方面與其他處理器相比具有顯著優(yōu)勢。在智能門禁系統(tǒng)設(shè)計中，SEP4020 處理器可以實現(xiàn)高性能的運算處理和低功耗的穩(wěn)定運行。此外，該處理器還具備豐富的外設(shè)接口，方便與其他模塊進行通信與擴展。

表1 SEP4020處理器性能情況

■1.2 微機自動識別技術(shù)

微機自動識別技術(shù)是利用計算機輔助識別和處理各種類型的數(shù)據(jù)，如條形碼、二維碼、生物特征等，從而實現(xiàn)自動化管理。在智能門禁系統(tǒng)中，微機自動識別技術(shù)可以有效地實現(xiàn)身份識別、權(quán)限驗證等功能。表2 給出了幾種常見的微機自動識別技術(shù)及其特點。

表2 常見微機自動識別技術(shù)及特點

2 門禁控制器的硬件設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計思路

本文在SEP4020 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)的硬件進行了詳細(xì)的設(shè)計，具體包括：設(shè)定與啟動處理器有關(guān)參數(shù)；設(shè)計復(fù)位電路和外部遙控喚醒的電路；與RTC 時鐘同步有關(guān)的設(shè)定；設(shè)計并優(yōu)化JTAG 的調(diào)試接口電路；設(shè)計“看門狗”電路，提高了整體電路的靈敏度；擴展通訊電路，在原來485 通訊方式的基礎(chǔ)上，加入了以太網(wǎng)通訊方式，使整個門禁系統(tǒng)在功能上增強擴展性能；標(biāo)準(zhǔn)的SDRAM 與NANDFLASH 接口電路的設(shè)計，使其具有更大的內(nèi)存容量，更大的運算容量；采用PWM 技術(shù)設(shè)計了蜂鳴器電路，實現(xiàn)了語音功能；設(shè)計了電源模塊，為系統(tǒng)提供了12V、5V、3.3V的電壓。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計的控制器和上位機的通信方式支持和以太網(wǎng)兩種接口通信方式。RS485 接口電路采用MAX3485CSA 半雙工通信驅(qū)動芯片，利用主芯片上的PD4485 引腳同時與485驅(qū)動芯片的RE 和DE 芯片來控制數(shù)據(jù)是接收還是發(fā)送。芯片上的 485RXD2 代表接收器輸出，當(dāng)A 引腳的電壓大于 B 引腳的電壓200 毫安的時候，數(shù)據(jù)接收端為高電平，否則為低，分別在接收器和驅(qū)動器的旁路并聯(lián)TVS 瞬態(tài)抑制二極管，可以有效地保護芯片電路。門禁控制系統(tǒng)除了RS485 通信方式以外，還支持以太網(wǎng)通信接口方式，理論上只需要phy 芯片就可以實現(xiàn)通信，設(shè)備也能夠正常工作，但是傳輸距離受到了限制，利用HR611206 網(wǎng)絡(luò)變壓器首先可以解決距離傳輸問題，其次，如果接受不同電平的信號，可以保證彼此設(shè)備不受影響，最后，使PHY 芯片與外部隔離，能夠提高信號的抗干擾性，這樣就可以很好地保護芯片。

■2.2 處理器啟動設(shè)置

SEP4020 處理器芯片上電管腳的引腳數(shù)，分別是0、1、2 這三個管腳，其目的是完成該系統(tǒng)的外部起動，其起動選擇如表3 所示。

表3 處理器啟動外部引腳配置

■2.3 復(fù)位電路設(shè)計

通過外部的專用引腳nRESET 來完成處理器的硬件復(fù)位，其復(fù)位時間為2 ms 以上，一方面，使用者可以選擇簡單的RC 延遲電路，或外部專門的復(fù)位電路，對處理器進行上電復(fù)位；另一方面，也可以使用按鍵來完成按鍵的復(fù)位。此外，該芯片還具有在“睡眠”時的遙控喚醒功能，使用者只需在外界按下按鈕即可啟動對應(yīng)的緊急喚醒，使得該芯片由“睡眠”恢復(fù)至“緩慢”，繼而恢復(fù)至“正常”工作，具體的工作原理見圖2。

圖2 外部簡易RC 上電復(fù)位電路

在本次設(shè)計中，所用到的PT7M7823 數(shù)字芯片，完成對整個電路系統(tǒng)的復(fù)位。PT7M7823 是一款5 管腳的處理器監(jiān)測電路芯片，該芯片還具有手工復(fù)位和看門狗定時器功能，使用者可以利用它和外面的看門狗復(fù)合電路，共同完成對處理器的電源檢測和上電復(fù)位，詳細(xì)設(shè)計如圖3 所示。

圖3 外部電復(fù)位電路

■2.4 RTC 模塊

備用電池為RTC 的計時器供電，當(dāng)發(fā)生故障時，保證可以設(shè)置時間停止。在設(shè)定時刻與現(xiàn)在時刻一致時，實時鐘表會自動停止，從而為日歷計時，達到分鐘級精度。該方法采用了兩種不同的時鐘信號，其中一種為RTC 電路，工作速率為32.768 kHz，見圖4(a)；另外一個是系統(tǒng)時鐘頻率，需要2～5 MHz 時鐘才能進行工作，建議用戶在主頻中使用4 MHz 的時鐘頻率，具體情況如圖4(b)所示。除此之外，本設(shè)計在SDRAM 的時鐘信號引腳（SDCLK）上，增加了1.5 kΩ 的下拉電阻，具體情況如圖4(c)所示，其目標(biāo)是要與外界時鐘阻抗相匹配，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4 RTC 模塊時鐘電路

■2.5 看門狗電路設(shè)計

看門狗電路功能是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常運行時，控制器系統(tǒng)會自行進行再啟動，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。另外，如果軟件出現(xiàn)異常狀況，比如電壓過高、靜電過大等，則由看門狗線路啟動，使軟件重新啟動，以保證軟件安全。如圖5所示，利用PT7M7823 電路監(jiān)督芯片和三態(tài)輸出總線緩沖器閘（SN74LVC125A）的合作，來完成門禁系統(tǒng)的看門狗，即利用該緩沖器閘來控制電路是否進行復(fù)位。為了使得緩沖器開關(guān)可以正確的操作，SN74LVC125A 的啟動端子（WDCTL(PB9))在高電平信號的情況下，需要維持在High，而在WDI (PB8）為低電平信號時，輸出在Low。

圖5 看門狗電路

3 智能門禁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計思路

本設(shè)計所采用的開發(fā)平臺是在虛擬機下安裝的LINUX系統(tǒng)，該系統(tǒng)版本為Fedora7，內(nèi)核版本為LINUX2.6.16，并在LINUX 操作系統(tǒng)環(huán)境下建立與GCC、數(shù)據(jù)庫和U-BOOT等編譯工具。門禁控制裝置的燒寫軟件是由博芯電子公司提供的一種特殊系統(tǒng)燒寫軟件完成，該軟件操作便捷，可以對啟動文件U-BOOT、內(nèi)核鏡像和文件系統(tǒng)進行燒寫，使用的燒寫器是ARM 公司的一種特殊的調(diào)試工具J-LINK。本次研制的驅(qū)動程序主要包括：電鎖的繼電器控制驅(qū)動程序、報警繼電器控制驅(qū)動程序、SEP4020 芯片單個引腳的驅(qū)動程序、按鈕驅(qū)動程序刷卡器驅(qū)動程序和 PWM 語音驅(qū)動程序。

■3.2 操作系統(tǒng)選擇

在基于嵌入式技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計中，選擇合適的操作系統(tǒng)對于保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和實現(xiàn)多任務(wù)處理至關(guān)重要。在眾多嵌入式操作系統(tǒng)中，Linux 具有開源、穩(wěn)定、可定制等優(yōu)點，適用于多種應(yīng)用場景。因此，本文選擇Linux 操作系統(tǒng)作為基本平臺。為適應(yīng)智能門禁系統(tǒng)的特點和需求，需要對Linux 操作系統(tǒng)進行定制和移植。首先，針對SEP4020處理器的特性和資源限制，對Linux 內(nèi)核進行裁剪和優(yōu)化，移除不必要的驅(qū)動和功能模塊，降低系統(tǒng)資源占用。其次，根據(jù)識別模塊、控制模塊、通訊模塊等的實際需求，添加相應(yīng)的硬件驅(qū)動和接口支持，確保各模塊之間的正常協(xié)同工作。

■3.3 驅(qū)動程序開發(fā)

驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)實現(xiàn)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸。在基于嵌入式技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計中，針對各個硬件模塊如識別模塊、控制模塊、通訊模塊等，需要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序以確保系統(tǒng)的正常運行。識別模塊驅(qū)動：根據(jù)所選用的微機自動識別技術(shù)（如條形碼、二維碼、指紋識別、面部識別等），開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序，實現(xiàn)對識別設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。控制模塊驅(qū)動：針對SEP4020 處理器和其他控制器硬件，開發(fā)驅(qū)動程序以實現(xiàn)對鎖控制、報警等硬件設(shè)備的操作。具體對應(yīng)的驅(qū)動文件名如表4 所示。

表4 驅(qū)動程序名稱對應(yīng)表

■3.4 U-BOOT 的操作

針對SEP4020 的U-Boot 操作流程，主要包括以下操作方法和命令：

（1）啟動U-Boot：將目標(biāo)板上電，通過串口連接至上位機。開發(fā)人員可以在上位機上使用串口終端軟件（如PuTTY、minicom 等）以進行操作。在串口終端中配置好相應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗后，可以看到U-Boot 的啟動信息。

（2）驅(qū)動系統(tǒng)中U-Boot 命令：

help：顯示可用的U-Boot 命令列表和簡短說明。

version：顯示U-Boot 版本信息。

printenv：顯示當(dāng)前環(huán)境變量的值。

setenv：設(shè)置環(huán)境變量的值。

saveenv：將環(huán)境變量保存到持久存儲介質(zhì)（通常為NOR/NAND Flash）。

loadb：通過串口下載二進制文件。

tftp：通過TFTP 協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載文件。

nand read/write/erase：對NAND Flash 進行讀取、寫入和擦除操作。

fatload：從FAT 文件系統(tǒng)中加載文件。

bootm：從指定內(nèi)存地址啟動內(nèi)核映像。

（3）下載和燒寫內(nèi)核映像：使用tftp 或loadb 命令將內(nèi)核映像下載到目標(biāo)板的指定內(nèi)存地址，然后使用nand write 命令將內(nèi)核映像燒寫至NAND Flash 中。燒寫完成后，可以使用nand read 命令進行校驗。

（4）啟動操作系統(tǒng)：配置好U-Boot 的環(huán)境變量（如bootcmd、bootargs 等），并使用saveenv 命令保存。之后，通過bootm 命令從指定的內(nèi)存地址啟動內(nèi)核映像，加載并運行操作系統(tǒng)。

■3.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在基于嵌入式技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理。本文采用SQL 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲方案，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計了以下幾個主要數(shù)據(jù)表：

（1）用戶信息表（UserInfo）：用于存儲用戶的基本信息，如用戶ID、姓名、部門、權(quán)限等級等。通過設(shè)置合適的權(quán)限策略，實現(xiàn)對不同用戶的門禁控制。

（2）訪問記錄表（AccessLog）：記錄用戶通過門禁系統(tǒng)的時間、地點和結(jié)果等信息。便于管理員進行查詢、分析和考勤管理。

（3）設(shè)備信息表（DeviceInfo）：存儲門禁系統(tǒng)設(shè)備的信息，如設(shè)備ID、位置、狀態(tài)等，方便進行設(shè)備管理和維護。

（4）報警記錄表（AlarmLog）：記錄門禁系統(tǒng)發(fā)生的異常事件和報警信息，幫助管理員快速定位和處理問題。

■3.6 管理軟件功能介紹

在 QT 開發(fā)的基礎(chǔ)上，本文將該系統(tǒng)的管理軟件劃分為：控制器設(shè)定部分、信息中心部分、權(quán)限設(shè)定部分。在圖6的系統(tǒng)軟件功能拓?fù)鋱D中，對訪問管理裝置和高層的功能模塊進行了詳細(xì)的分類和劃分。

圖6 管理軟件功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

（1）登錄設(shè)置

當(dāng)?shù)顷憰r，賬戶名稱和口令將被設(shè)定為：使用者名稱Admin 口令為空。可以通過“權(quán)限管理”菜單來設(shè)定或修改相應(yīng)使用者名稱及密碼。點擊“增加”，在信息中設(shè)置了名字、等級、密碼等信息，然后 “保存”后就可以加入了。從菜單欄中的“系統(tǒng)管理”中，選擇“參數(shù)設(shè)定”，視窗內(nèi)所顯示的是讀取IC 寫卡編號和讀取IC 寫卡編號。選擇「讀IC卡寫卡數(shù)」這個選項，當(dāng)刷 IC卡時，將會讀出 IC卡的卡數(shù)，而 IC 卡除了自身序號外，還可以再寫一次。而“讀卡序號”這個選項，可以讀取 IC 卡或者 ID 卡的序號。

（2）控制器設(shè)置

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，控制器是不可或缺的設(shè)備之一。控制器的作用是控制設(shè)備的運行，以達到生產(chǎn)線的自動化、高效化。首先，對控制器進行相關(guān)設(shè)置時，主要是對設(shè)備進行管理。對于手動增加控制器，需要填寫相關(guān)控制器信息，如設(shè)備序列號、設(shè)備名稱、通信IP 地址、通信網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼的設(shè)定。其次，在控制器的管理軟件中，可以對不需要的控制器設(shè)備進行刪除，也可以對控制器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行修改，這樣可以保證控制器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置是符合實際需要。

管理軟件也支持自動搜索到當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的控制器，控制器出廠初始IP 地址默認(rèn)為192.168.0.8。如果用戶不知道控制器的實際IP 地址，可以通過搜索功能來查找控制器。點擊“開始搜索”按鈕即可發(fā)送廣播信號，將同一局域網(wǎng)中的控制器都能夠搜索到列表中。搜索過程中，需要耐心等待，直到搜索完成。搜索完成后，可以將搜索的結(jié)果添加到數(shù)據(jù)庫中。這樣可以方便用戶以后更快地找到控制器。在使用控制器時，需要根據(jù)實際需要對控制器進行相關(guān)設(shè)置。這樣可以保證控制器的正常使用，提高生產(chǎn)效率。

（3）高級功能

門禁系統(tǒng)的主要功能是控制出入門的開放，保障機構(gòu)內(nèi)部安全。而在門禁系統(tǒng)中，卡片管理是至關(guān)重要。以下是門禁系統(tǒng)中卡片管理的關(guān)鍵點。首先，門禁系統(tǒng)中卡片設(shè)置，首長卡設(shè)置優(yōu)先級比緊急設(shè)置低，響應(yīng)互鎖規(guī)則，但上傳能夠成功。這意味著，如果同時存在多個設(shè)置，系統(tǒng)會優(yōu)先響應(yīng)首長卡設(shè)置。即使其他設(shè)置具有更緊急性質(zhì)，系統(tǒng)也會按照首長卡設(shè)置進行操作，以保證安全性。同時，該設(shè)置不會影響上傳的成功。其次，門禁系統(tǒng)中的首長卡適用于管理者使用，可實現(xiàn)相應(yīng)的門動作。因此，該卡片使用范圍比較有限，只能被特定的管理者使用。而且，該卡片可以直接控制門的動作，具有較高權(quán)限。

門禁系統(tǒng)中的管理卡可以設(shè)置常開、常閉，有效日期不受限。這意味著管理卡的使用范圍比較廣泛，可以被更多人使用，可以長期使用。同時，該卡片還可以設(shè)置常開、常閉狀態(tài)，方便使用者根據(jù)需要進行門的控制。

報警輸入種類包括報警信號報警、脅迫報警、非法卡報警等，用戶可自定義。門禁系統(tǒng)中的報警輸入種類比較豐富，可以包括多種類型的報警信號。同時，客戶也可以根據(jù)自己需要進行自定義設(shè)置，以更好地保障安全。解除報警信號只能解除當(dāng)前的報警信號，設(shè)置依然存在。在門禁系統(tǒng)中，解除報警信號只能解除當(dāng)前的報警信號，不能直接取消設(shè)置。因此，即使報警信號已經(jīng)解除，相關(guān)的設(shè)置依然存在，仍然會影響到后續(xù)的使用。

最后，門禁系統(tǒng)中的定時任務(wù)設(shè)定，可以在特定時間段設(shè)置門狀態(tài)或開門方式。這意味著，用戶可以根據(jù)需要進行靈活的門控制。而且，該設(shè)置可以在特定的時間段進行，例如在夜間進行特定的門控制，以保障安全。門禁系統(tǒng)中的實時任務(wù)的受控方式包括首卡開門、首卡常開、僅首長卡開門。實時任務(wù)的受控方式比較多樣化，可以根據(jù)用戶的需要進行選擇。例如，可以選擇使用首卡開門方式，或者僅允許特定的首長卡進行開門，以保障安全。

4 結(jié)語

本文以SEP4020 為核心，設(shè)計了一套滿足高安全要求的智能門禁系統(tǒng)，系統(tǒng)涵蓋了硬件電路設(shè)計、操作系統(tǒng)選擇與移植、驅(qū)動程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了信息存儲、處理、保存和通訊中樞等功能。本設(shè)計方案具有較高的可擴展性，可根據(jù)不同場景和需求進行優(yōu)化和定制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來智能門禁系統(tǒng)將具備更多高級功能，如多模態(tài)生物識別、人工智能分析、物聯(lián)網(wǎng)集成等。在實際應(yīng)用中，智能門禁系統(tǒng)將在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮更大作用。