梁祥瑩,嚴(yán)　輝

(安徽建筑大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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基于CAN總線(xiàn)的智能門(mén)禁系統(tǒng)的研發(fā)

梁祥瑩,嚴(yán)輝

(安徽建筑大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

摘要：針對(duì)智能建筑門(mén)禁系統(tǒng)的管理需求，設(shè)計(jì)基于CAN總線(xiàn)的智能門(mén)禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。樣機(jī)測(cè)試表明，系統(tǒng)各項(xiàng)主要功能均達(dá)到要求，具有低成本和更人性化的優(yōu)勢(shì)，有助于門(mén)禁系統(tǒng)智能化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：CAN；門(mén)禁系統(tǒng)；智能建筑；智能監(jiān)控

0引言

門(mén)禁系統(tǒng)又稱(chēng)出入管理控制系統(tǒng)(Access Control System)。這是一種新型的現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等諸多新技術(shù)，是解決重要部門(mén)出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效措施。在我國(guó)，隨著建筑智能化的發(fā)展，為用戶(hù)提供一個(gè)高效、舒適的工作與生活環(huán)境[1]已成為相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員的目標(biāo)。本文介紹了一種以AT89S52微處理器為控制核心，采用1-wire總線(xiàn)加密存儲(chǔ)器型信息紐扣作為識(shí)別卡，以CAN總線(xiàn)協(xié)議與上位機(jī)通訊的具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能門(mén)禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能通過(guò)對(duì)出入口的權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)變被動(dòng)防守為主動(dòng)控制，且其智能化程度的提高，大大減輕了傳統(tǒng)門(mén)禁系統(tǒng)中物業(yè)管理人員識(shí)別進(jìn)出人員、手動(dòng)管理后臺(tái)系統(tǒng)的工作量，能有效提高管理的效率，有助于實(shí)現(xiàn)管理的有序化[2]。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了門(mén)禁管理的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并完成了樣機(jī)的制作。

1CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

由德國(guó)博世公司開(kāi)發(fā)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network, CAN)是一種用于解決汽車(chē)領(lǐng)域中的測(cè)控應(yīng)用的高性能串行通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有成本低廉、實(shí)時(shí)性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，隸屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇。該網(wǎng)絡(luò)有效支持實(shí)時(shí)控制的串行通訊[3]，可以根據(jù)需要構(gòu)成多主系統(tǒng)。其最大的特點(diǎn)是用一種對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方法取代站地址編碼的方法，這樣可使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。用戶(hù)可定義2個(gè)(或2個(gè)以上)不同的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位(或29位)二進(jìn)制數(shù)組成，這種方法使不同的節(jié)點(diǎn)能同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可至8個(gè)字節(jié)，其獨(dú)有的短幀結(jié)構(gòu)減少了外界的干擾，占用總線(xiàn)時(shí)間較短，從而確保通信的實(shí)時(shí)性。此特性適應(yīng)了工業(yè)領(lǐng)域中有關(guān)控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。CAN總線(xiàn)在糾錯(cuò)能力上有傳統(tǒng)的BITBUS和RS-485等網(wǎng)絡(luò)所不具備的明顯優(yōu)勢(shì)。這一優(yōu)勢(shì)使得采用CAN總線(xiàn)的系統(tǒng)具有更好的可靠性、實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性[4]。

2總體方案設(shè)計(jì)

本論文介紹的智能門(mén)禁控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)進(jìn)出通道的權(quán)限、方式、時(shí)段的管理，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、出入記錄查詢(xún)和異常報(bào)警等功能。本系統(tǒng)由3大模塊組成，分別為：主控制器模塊、CAN通信模塊和存儲(chǔ)器模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1主控制模塊設(shè)計(jì)

主控制器模塊以AT89S52單片機(jī)為核心，還包含有讀卡器模塊和CAN通信模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)卡號(hào)的自動(dòng)獲取、讀卡時(shí)間、開(kāi)門(mén)信息、持卡人身份、報(bào)警等信息的獲取并能存儲(chǔ)信息，以供查詢(xún)、統(tǒng)和處理，并最終生成各種報(bào)表。該模塊還可以通過(guò)CAN總線(xiàn)將上述數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，便于物業(yè)管理人員進(jìn)行集中管理[5]。主控模塊具體能實(shí)現(xiàn)的功能如下：

①可存儲(chǔ)100張有效識(shí)別卡的使用情況，每張有效識(shí)別卡的存儲(chǔ)使用記錄為30條，循環(huán)覆蓋。此外，該門(mén)控系統(tǒng)的核心功能還包括：新建新用戶(hù)、刪除歷史記錄、提供查詢(xún)、顯示、異常報(bào)警等管理功能。

②采用1-wire總線(xiàn)加密存儲(chǔ)器型信息紐扣作為識(shí)別卡，識(shí)別卡需經(jīng)授權(quán)，只有授權(quán)卡能夠開(kāi)鎖，未授權(quán)的識(shí)別卡開(kāi)鎖時(shí)將發(fā)出聲、光報(bào)警；

③具有CAN通信接口，完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。充分利用CAN的分布式控制的優(yōu)點(diǎn)，便于組網(wǎng)和控制，實(shí)現(xiàn)分布管理，集中控制。

2.2CAN通信模塊設(shè)計(jì)

以獨(dú)立的CAN控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)收發(fā)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250為核心的CAN通信模塊，主要完成讀卡控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息傳送功能。可以接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，執(zhí)行參數(shù)設(shè)置、開(kāi)鎖等操作[6]。CAN控制器SJA1000，是一種獨(dú)立的CAN控制器。主要在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制和移動(dòng)目標(biāo)中得到廣泛應(yīng)用。這種控制器增加了CAN新的操作模式：PeliCAN。該模式支持CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000還具有擴(kuò)展的接收緩沖器(64字節(jié))，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，適用于不同的微處理器。

系統(tǒng)硬件電路由三部分組成，分別是：微控制器AT89S52、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。其中微控制器AT89S52完成對(duì)SJA1000的初始化設(shè)置，并通過(guò)控制SJA1000完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等通信任務(wù)。CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口電路，它用于提供對(duì)總線(xiàn)的差分發(fā)送和接收。

CAN控制模塊和通信模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2CAN控制和通信模塊

2.3存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)讀卡控制器需要具有增加、刪除用戶(hù)卡并能存儲(chǔ)100張有效識(shí)別卡的使用需求，本系統(tǒng)選用I2C總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的串行CMOS E2PROM存儲(chǔ)芯片CAT24WC256。該芯片占用單片機(jī)I/O口少，節(jié)省系統(tǒng)資源且具有功耗低，掉電仍然可以保存數(shù)據(jù)的功能，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3CAN通信模塊軟件設(shè)計(jì)

CAN通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN的初始化、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送三部分。CAN的初始化在SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)后進(jìn)行，主要是對(duì)SJA1000的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。配置的寄存器包括：控制寄存器CR(其內(nèi)容用于改變SJA1000的狀態(tài)，控制位可被微控制器置位和復(fù)位)、驗(yàn)收碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR(這兩個(gè)寄存器用于設(shè)置驗(yàn)收濾波器)、時(shí)鐘分頻寄存器CDR(控制CLKOUT的輸出頻率，選擇BasicCAN模式或PeliCAN模式)、總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTRO(其內(nèi)容定義了波特率預(yù)置器BRP和同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW的值)、總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTRI(其內(nèi)容定義了定位周期寬度，采樣點(diǎn)的位置和在每個(gè)采樣點(diǎn)獲取采樣的數(shù)目)、輸出控制寄存器OCR(由軟件控制建立不同的輸出驅(qū)動(dòng)配置:雙向輸出模式、測(cè)試輸出模式、正常輸出模式和時(shí)鐘輸出模式)。

3.1CAN主程序

CAN通信模塊的工作過(guò)程是：主控制器上電復(fù)位后控制SJA1000開(kāi)始工作之前，通過(guò)讀寫(xiě)測(cè)試寄存器來(lái)判斷SJA1000與單片機(jī)的連接是否正確。連接正常即進(jìn)入復(fù)位模式，進(jìn)行初始化操作，并使SJA1000進(jìn)入工作模式。SJA1000按照上次退出復(fù)位模式時(shí)的模式工作，直到芯片再次復(fù)位，改變?cè)O(shè)定的值，CAN主程序流程圖如3所示。

圖3CAN主程序流程圖

3.2CAN發(fā)送子程序

發(fā)送子程序負(fù)責(zé)將讀卡控制器報(bào)文發(fā)送至上位機(jī)。其發(fā)送給上位機(jī)或其它節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容主要是本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。

通常，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要判斷SJA1000是否處于允許發(fā)送的狀態(tài)。啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程前需要完成的工作有：將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式組合成一幀報(bào)文；將組合好的報(bào)文送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)；③對(duì)SJA1000寫(xiě)發(fā)送指令。

3.3CAN接收子程序

接收子程序負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文。被接收的報(bào)文可能是上位機(jī)發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)請(qǐng)求、參數(shù)修改命令、原始配置數(shù)據(jù)等，也可能是其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。接收?qǐng)?bào)文時(shí)要處理總線(xiàn)關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等異常情況進(jìn)行。SJA1000報(bào)文的接收有中斷接收和查詢(xún)接收兩種方式。本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、節(jié)省資源的中斷方式。

4樣機(jī)測(cè)試

本文在完成了功能樣機(jī)設(shè)計(jì)后，對(duì)其進(jìn)行了CAN通信模塊以及性能測(cè)試。

4.1CAN通信模塊測(cè)試

測(cè)試采用了兩塊帶有CAN通信模塊的單片機(jī)，將其CAN通信接口使用雙絞線(xiàn)連接，作為通信通道，設(shè)置其中任意一單片機(jī)為數(shù)據(jù)發(fā)送方，另一單片機(jī)作為數(shù)據(jù)接收方。數(shù)據(jù)發(fā)送方的數(shù)據(jù)通過(guò)程序下載至單片機(jī)中，數(shù)據(jù)接收方接收的數(shù)據(jù)通過(guò)仿真器觀察。整個(gè)測(cè)試過(guò)程共進(jìn)行了10次發(fā)送和接收，每次5個(gè)數(shù)據(jù)，共50個(gè)數(shù)據(jù)。表1為數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)接收方接收到的數(shù)據(jù)的比較，結(jié)果顯示沒(méi)有出現(xiàn)接收錯(cuò)誤的情況，說(shuō)明讀卡控制器通信部件軟硬件行良好。

4.2讀卡控制器測(cè)試

測(cè)試讀卡控制器主要是測(cè)試其對(duì)不同卡片的識(shí)別能力，以及能否完成對(duì)合法卡片的操作。測(cè)試中共使用了3張卡片，分別為：未經(jīng)注冊(cè)卡、用戶(hù)卡和管理員卡各一張。

未經(jīng)注冊(cè)卡進(jìn)行開(kāi)鎖操作時(shí)，讀卡控制器顯示無(wú)效卡信息提醒并發(fā)出聲光報(bào)警。插入用戶(hù)卡時(shí)，讀卡控制器處于讀卡狀態(tài)，顯示器顯示“輸入密碼”字樣，并伴有語(yǔ)音提示。在用戶(hù)輸入密碼時(shí)，顯示器以“*”顯示已輸入密碼位數(shù)。若密碼輸入錯(cuò)誤，會(huì)提示重新輸入，當(dāng)連續(xù)3次輸入錯(cuò)誤后，用戶(hù)卡會(huì)被鎖定并被設(shè)為無(wú)效卡，將不能繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)鎖操作。解除鎖定狀態(tài)須經(jīng)管理員重新注冊(cè)。管理員卡除具有一般用戶(hù)卡的功能外，還可以進(jìn)行時(shí)間設(shè)置、注冊(cè)、刪除、查詢(xún)等操作。查詢(xún)時(shí)，可以按卡號(hào)查詢(xún)用戶(hù)基本信息，也可以按時(shí)間查詢(xún)?cè)谥付〞r(shí)間段進(jìn)出的用戶(hù)信息。

表1　數(shù)據(jù)通信測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各方面的測(cè)試可知樣機(jī)基本能夠完成預(yù)設(shè)功能，達(dá)到門(mén)禁管理和通信的功能。

5總結(jié)

本文根據(jù)當(dāng)今智能小區(qū)門(mén)禁管理系統(tǒng)的需求，采用成熟可靠的硬件器件和穩(wěn)定的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出基于CAN通訊總線(xiàn)的樣機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本低，研制周期短，能夠滿(mǎn)足目前的管理需求。對(duì)樣機(jī)的測(cè)試證明該系統(tǒng)具有一定的可靠性，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。

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Development of Intelligent Access System Based on CAN Bus

LIANG Xiangying,YAN Hui

(School of Electronic and Information Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei China 230022)

Abstract:The intelligent access system based on CAN bus can meet the demand of the intelligent buildings. The system uses mature technology. It is stable and reliable. The prototype test shows that the main function of the system is to meet the requirements, with the advantages of low cost and more human nature, which is helpful to the development of the intelligent access control system.

Key words:CAN; Access System; Intelligent building; intelligent monitoring

作者簡(jiǎn)介：梁祥瑩(1981-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制、檢測(cè)技術(shù)。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150612

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-059-04