摘要：針對傳統單機工作的門禁系統由于不能進行Internet通信而無法滿足集中管理、數據共享、安全性能等更新、更高的要求的問題，提出了利用TCP/IP協議的以太網技術將門禁系統各節點組建成一個小型局域網進行生物識別的方法，實現對門禁各節點數據的實時更新和遠程傳輸，達到了門禁系統操作方便、實時性強、運行可靠的網絡化管理的目的。

一、引 言

門禁系統【1】，又稱為出入口控制系統，是安防領域的基礎平臺。隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，門禁控制系統不斷朝著集成化、智能化、網絡化等方向發展。由于Internet網和以太網在全世界范圍的廣泛應用，網絡化門禁控制系統已經成為門禁系統的重要發展方向，而TCP/IP協議以其獨特的技術特點成為了網絡化門禁系統的首選【2】。利用TCP/IP協議的網絡通信門禁系統通過組建一個小型的局域網，很容易實現數據的遠程傳輸和門禁各節點間的數據交互更新。

本文是利用TCP/IP協議的生物識別門禁系統的研究，利用網絡接口芯片的工作原理實現網絡通訊，對持卡人信息進行及時更新且上傳給上位機進行監測，以判斷是否允許進入，最終實現防止刷卡一次多人尾隨進入、一卡多刷以及對進出人員數據遠程網絡化管理的目的。

二、系統的總體設計

門禁系統總體設計由門禁控制器、網絡通訊模塊、信號采集模塊、控制機構、調試及仿真接口、RJ-45接口電路等組成。

本系統設計采用16位單片機MSP430F149作為控制核心，以集成TCP/IP協議的W5100芯片搭建以太網通訊模塊，利用以太網通信模塊實現門禁控制器與上位PC機的通信。通過以太網模塊將門禁系統各節點整合到一起，且每個節點都有對應的IP地址，使門禁各節點與上位機組建成一個小型局域網，實現了數據的遠程傳輸和各門禁節點數據的交互更新。

三、門禁系統的核心硬件設計

1. 門禁控制核心

為了使系統的反應時間及處理能力能較好地滿足實時性要求，并能在盡量不外擴存儲資源的前提下滿足存儲1000多名用戶數據的需要，且實現外圍需要外接多種接口的傳感器、通訊模塊等資源的目的，本文選擇了TI公司的16位單片機MSP430F149【3】。MSP430F149不僅處理速度較快且帶有豐富的接口、存儲和模塊資源(1.8-3.6V供電電壓;2K RAM ;60 KB+ 256B Flash Memory;兩個 UART 接口;一個 SPI 接口;8通道12-Bit 模數轉換器;P1、P2外部中斷復用;高速捕獲/比較寄存器;硬件乘法器;溫度傳感器等)，而且其抗干擾性能、穩定性、較寬的供電電壓范圍，這些特點能很好地適應于較為苛刻惡劣的環境。

2. 以太網通訊模塊

該模塊的主要任務是完成與外界信息的交互，以實現門禁控制器與上位PC機的通信，設計中采用TCP/IP協議技術，實現信息數據的遠距離傳輸和處理。本文采用內部集成了TCP/IP協議的W5100網絡接口芯片作為以太網通信模塊的控制核心。

W5100的主要特點及應用【4】有：W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，內部集成有10/100 以太網控制器，主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統中。它還集成了全硬件的TCP/IP 協議?！?】、以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。硬件TCP/IP 協議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPOE，這些協議已經得到了多年的驗證。W5100還支持4個獨立的Socket通信，內部16KB 的發送/接收緩沖區可快速進行數據交換。使用W5100可以實現沒有操作系統的Internet 連接，使用時不需要考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口(Socket)編程。它提供直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線3種接口，與MCU 接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣;支持3.3V 工作電壓，I/O 口可承受5V 電壓，便于和普通單片機的連接通訊。

在接口電路中，以太網芯片W5100利用SPI接口與單片機連接進行數據的接收或發送。將網絡接口芯片W5100的以太網物理層信號管腳RXIP、RXIN、TXOP、TXON與網絡變壓器進行純硬件連接，來完成數據信號的傳輸和電平隔離作用。利用內部集成了TCP/IP協議的W5100構成的以太網模塊，操作簡單，訪問其內部的寄存器，就像訪問存儲器一樣，只需寫一些簡單的socket程序即可完成以太網通訊任務，使電路簡單、可靠，便于應用。

3. 外圍接口部分電路的設計

該系統中需要接入多種傳感器信號、韋根信號以及要輸出控制繼電器等，這些輸入信號和控制信號的供電范圍各不相同且繼電器之間的電磁干擾也比較嚴重，對重量傳感信號的采集極為不利。因此在設計這些接口部分時一定得做好隔離措施，本文采用TLP521光耦來實現各種信號的隔離輸入和輸出。

TLP521這種可控制的光電耦合器件廣泛應用在電路之間的信號傳輸，使前端與負載完全隔離，以實現增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設計的目的。

四、系統軟件設計

1. 無線通信模塊軟件的設計

TCP是面向連接的通信方式，首先必須建立連接，然后利用IP地址和端口號進行數據通信。本文采用TCP客戶模式，在建立TCP連接之前，需要初始化端口。在設計中，W5100產生的建立連接、終止連接、接收數據、發送數據和超時等事件，都可以從中斷狀態中獲得。

當端口產生接收中斷時，調用S0_rx_process將端口接收到的數據緩存到Rx_buffer數組中，并返回接收的數據字節數。當讀完所有的數據后，將S0_RX_RD的值加上讀取的數據長度，再寫入S0_RX_RD，最后S0_CR寫入RECV命令，以等待下次接收數據。但要注意在計算實際物理偏移量rx_offset時，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區的大小一致。通過Socket發送數據時，首先把要發送的數據緩存在Tx_buffer中。發送時還需先檢查發送緩存區的剩余空間的大小，然后控制發送數據的字節數。在數據發送處理過程中，剩余空間的大小將因寫入數據而減少，發送完成后又自動增加。把Tx_buffer的數據完全寫入端口的發送數據緩存區后，將端口S0_TX_WR中的值加上寫入的數據長度，再寫入S0_TX_WR，以指示發送數據的長度，最后在S0_CR中寫入SEND命令，以啟動發送。

2. 主程序設計

本程序設計首先進行初始配置，配置完成后按需要編寫數據的發送或接收程序。

初始化功能模塊是整個軟件系統設計的基礎，包括MSP430F149的初始化和W5100的初始化。主要有：合理配置I/O，設置繼電器狀態、工作模式、時鐘、地址寄存器及中斷向量等。通過設置W5100內部的控制寄存器，靈活創建和選擇TCP套接字來完成網上的數據交換。

發送或接收功能負責獨特數據包的生成和發送。數據的發送或接收只需對W5100進行簡單的端口發送或接收過程的編程，結合硬件而完成整個發送或接收過程。

3. PC機程序設計

上位管理計算機負責對多個通道進行管理，包括人機界面，控制電路參數設置，數據庫的存儲和更新，同步多個控制電路內的數據庫。PC機管理軟件是在Windows XP操作平臺上利用Visual C++6.0【6】開發的，運用多線程的技術，主線程主要包括數據庫管理、報警等模塊;輔線程采用Socket編程在后臺運行，自動進行數據的接收、分離、插入數據庫的操作，使系統具有友好的人機交互界面，顯示直觀，操作方便。

五、結束語

本系統是兼容TCP/IP協議的生物識別門禁系統，已投入實際運行，操作簡單、穩定、可靠、實時性強。系統設計開發過程中充分運用了軟硬件協同的設計思想，各部分盡量采用模塊化設計，采用了MSP430F149單片機作為控制核心，采用W5100芯片搭建整個以太網通訊模塊，使得整體系統的開發難度大為降低，同時也提高了系統整體的穩定性和集成度，使得MSP430F149單片機控制核心能以較為豐富的資源專注于處理控制任務而不必去處理TCP/IP協議完成通訊，提高了系統的實時性能，最終實現了生物識別門禁系統安全設計，具有較強的實用價值和推廣性。