兼容TCP/IP协议的生物识别门禁系统研究

　　一、引 言

　　门禁系统【1】，又称为出入口控制系统，是安防领域的基础平台。随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，门禁控制系统不断朝着集成化、智能化、网络化等方向发展。由于Internet网和以太网在全世界范围的广泛应用，网络化门禁控制系统已经成为门禁系统的重要发展方向，而TCP/IP协议以其独特的技术特点成为了网络化门禁系统的首选【2】。利用TCP/IP协议的网络通信门禁系统通过组建一个小型的局域网，很容易实现数据的远程传输和门禁各节点间的数据交互更新。

　　本文是利用TCP/IP协议的生物识别门禁系统的研究，利用网络接口芯片的工作原理实现网络通讯，对持卡人信息进行及时更新且上传给上位机进行监测，以判断是否允许进入，最终实现防止刷卡一次多人尾随进入、一卡多刷以及对进出人员数据远程网络化管理的目的。

　　二、系统的总体设计

　　门禁系统总体设计由门禁控制器、网络通讯模块、信号采集模块、控制机构、调试及仿真接口、RJ-45接口电路等组成。门禁系统设计结构框图如图1所示。 

　　本系统设计采用16位单片机MSP430F149作为控制核心，以集成TCP/IP协议的W5100芯片搭建以太网通讯模块，利用以太网通信模块实现门禁控制器与上位PC机的通信。通过以太网模块将门禁系统各节点整合到一起，且每个节点都有对应的IP地址，使门禁各节点与上位机组建成一个小型局域网，实现了数据的远程传输和各门禁节点数据的交互更新。

　　三、门禁系统的核心硬件设计

　　1. 门禁控制核心

　　为了使系统的反应时间及处理能力能较好地满足实时性要求，并能在尽量不外扩存储资源的前提下满足存储1000多名用户数据的需要，且实现外围需要外接多种接口的传感器、通讯模块等资源的目的，本文选择了TI公司的16位单片机MSP430F149【3】。MSP430F149不仅处理速度较快且带有丰富的接口、存储和模块资源（1.8-3.6V供电电压；2K RAM ；60 KB+ 256B Flash Memory；两个 UART 接口；一个 SPI 接口；8通道12-Bit 模数转换器；P1、P2外部中断复用；高速捕获/比较寄存器；硬件乘法器；温度传感器等），而且其抗干扰性能、稳定性、较宽的供电电压范围，这些特点能很好地适应于较为苛刻恶劣的环境。

　　2. 以太网通讯模块

　　该模块的主要任务是完成与外界信息的交互，以实现门禁控制器与上位PC机的通信，设计中采用TCP/IP协议技术，实现信息数据的远距离传输和处理。本文采用内部集成了TCP/IP协议的W5100网络接口芯片作为以太网通信模块的控制核心。设计中W5100的电路如图2所示。 

　　W5100的主要特点及应用【4】有：W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100 以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。它还集成了全硬件的TCP/IP 协议栈【5】、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。硬件TCP/IP 协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPOE，这些协议已经得到了多年的验证。W5100还支持4个独立的Socket通信，内部16KB 的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet 连接，使用时不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口（Socket）编程。它提供直接并行总线、间接并行总线和SPI 总线3种接口，与MCU 接口非常简单，就像访问外部存储器一样；支持3.3V 工作电压，I/O 口可承受5V 电压，便于和普通单片机的连接通讯。

　　在接口电路中，以太网芯片W5100利用SPI接口与单片机连接进行数据的接收或发送。将网络接口芯片W5100的以太网物理层信号管脚RXIP、RXIN、TXOP、TXON与网络变压器进行纯硬件连接，来完成数据信号的传输和电平隔离作用。利用内部集成了TCP/IP协议的W5100构成的以太网模块，操作简单，访问其内部的寄存器，就像访问存储器一样，只需写一些简单的socket程序即可完成以太网通讯任务，使电路简单、可靠，便于应用。