基于BLE技术的智能门禁系统

白志帅 ，穆士留 ，张 峰 ，赵 黎

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032；2.河南许继仪表有限公司，河南461000）

门禁系统是一种现代化的安全防卫系统[1-8]，近年来发展很快已经成为时下的热点。传统的门禁系统多采用RFID刷卡的方式进行信息采集和处理，用户需随身携带卡片，这使用户很不方便且数据信息的采集受距离的限制。本设计将蓝牙微功耗的技术应用于门禁系统的信息采集和处理，有效地解决了这一问题[9-14]。当用户走进有效区域范围内，用户只需打开手机蓝牙（蓝牙4.0及以上版本）与蓝牙模块进行连接，即可将采集到的数据传输到处理器进行一系列的处理，从而实现对出入口的安全控制。该系统具有较高的安全性和可靠性。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体框架设计

系统由STM32F103处理器、蓝牙BLE模块、LCD显示屏、用户移动终端设备（手机或便携式蓝牙模块）组成。开启系统之后，蓝牙模块自动搜寻附近可连接的移动设备，当建立连接后，蓝牙模块将采集到的信息传递到系统处理器进行比对处理，比对结果显示在LCD显示屏上。蓝牙微功耗门禁总体框图如图1所示。

图1 蓝牙微功耗门禁系统示意Fig.1 Overall block diagram of BLE access control system

1.2 核心实现技术分析

课题的硬件部分主要采用STM32F103RBT6开发板作为系统的主控模块，蓝牙模块采用NRF51822芯片作为信息采集芯片，采用128×64个点的显示器作为显示模块，软件部分主要是在Keil的开发环境上进行设计。

1.3 iBeacon体系简介

2013年9月苹果公司发布了OS（iOS7）操作系统，iBeacon是iOS7最重要的特性之一，同时也为iBeacon协议带来了新的功能。这是一种新型的位置感知技术，它的本质就是蓝牙设备，使用低功耗蓝牙传输技术进行短距离通信。iBeacon技术通过在商场等场所建立iBeacon基站，iBeacon基站会自动创建一个信号区域。当带有低功耗蓝牙的设备进入该区域时，低功耗蓝牙设备就能感应到iBeacon信号，相应的应用程序便会提示用户是否接入这个信号网络，通过小型的无线传感器和蓝牙技术用户便能使用设备传输数据[15]。本次设计应用iBeacon技术实现移动终端对门禁系统的控制，原理如图2所示。门禁系统作为控制中心连接着服务器并且对门禁进行控制。当移动终端进入iBeacon基站自动创建的信号区域，移动终端便可以与门禁系统进行信息传输，从而实现对门禁的控制功能。服务器主要是实现数据的初始化和对用户信息的查找、修改、增加以及删除功能，从而实现对数据的远程管理功能。

图2 门禁控制系统原理Fig.2 Schematic diagram of access control system

2 系统硬件电路设计

2.1 STMF103处理器

处理器电路设计包括STM32F103芯片所用引脚连接及其外围电路设计，主要包括晶振电路、去耦电路、复位电路、JTAG调试电路。ARM处理器电路如图3所示。

图3 处理器电路Fig.3 Processor circuit diagram

芯片的供电体现在引脚 19、32、48、64接 3.3 V电压。ARM 处理器中的引脚 16（PA2）、引脚 17（PA3）分别为串行发送口、串行接收口，连接蓝牙模块的串行接收口（P0.09）、串行发送口（P0.08）。其外围电路包括JTAG调试电路、复位电路、晶振电路、去耦电路，如图4所示。

2.2 NRF51822蓝牙模块

NRF51822支持低功耗蓝牙协议栈和2.4 G协议栈[15]。NRF51822所有数字IO引脚可自由定义和映射，方便开发；其蓝牙协议和应用代码的存储空间相互分开、互不干扰、使用简单，只需配置API参数就可运行起来。NRF51822供电范围为1.8～3.6 V，可与处理器直接共用电源，系统中通过XC1和XC2为其并联外接16 MHz晶体振荡器提供时钟信号。模块射频天线设计是利用ANT1和ANT2差分天线接口外接倒F天线，并通过片上功率放大器输出端口ADD_PA为天线提供软件可调发射功率。NRF51822的P0.08和P0.09被映射为芯片串行接口分别连接处理器的接收和发送端口。电路原理如图5所示。

图4 处理器外围电路Fig.4 Processor peripheral circuit diagram

图5 NRF51822电路原理Fig.5 NRF51822 circuit diagram

2.3 LCD显示模块

本系统采用带中文字库的128×64点的LCD液晶显示屏，其具有4位/8位并行、2线或3线串口多种接口方式，内部有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。LCD显示模块电路如图6显示。

图6 LCD显示模块电路Fig.6 LCD display block

3 系统软件设计

整个系统的软件功能是ARM处理器STM32从串口2接收蓝牙模块采集的数据，同时对数据进行处理、比对，然后通过LCD显示出用户信息，软件程序主要包括数据采集程序、显示程序、按键程序。数据处理子程序的功能是对蓝牙模块采集到的用户信息进行处理和比对。显示子程序的功能是将蓝牙模块采集到的用户信息和比对结果显示在显示屏上。按键子程序的功能是设置PA0，按键主要是起到紧急开关的作用，当出现紧急情况时，可以通过按键控制出入口的开关。

3.1 主程序

在主程序中，先调用初始化子程序，完成ARM处理器外设及串口的初始化[16-18]。蓝牙模块与移动终端连接成功后，蓝牙模块就会将采集到的数据传输到处理器，处理器以中断方式接收数据，检测到中断后，进入中断服务子程序接收数据，判断是否接收到开始标志符‘$’，若不是则重新接收，若是则继续接收直至接收到结束标识符‘@’，之后将接收的数据传输到处理器，并通过LCD显示屏显示出来。主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程Fig.7 Flow chart of main program

3.2 数据采集程序

NRF51822蓝牙模块与用户建立连接之后，开始采集用户数据，判断接收到的第一个数据是否是开始标志符号‘$’，否则重新开始，如果是则继续接收数据，直至接收到结束标识符‘@’，蓝牙模块完成数据的采集，将采集完的数据传送到处理器。数据采集流程如图8所示。

图8 数据采集流程Fig.8 Flow chart of data collection diagram

4 系统功能测试

在系统方案的基础之上，根据前文所设计的硬件原理图，以STM32F103开发板作为系统主控芯片，其串口2连接蓝牙NRF51822模块，并为各模块烧写完成功能所需要的软件程序，搭建基于蓝牙模块的智能门禁系统原型。用户在有效范围内（10 m），通过移动终端与蓝牙进行通信，从而实现了移动终端对门禁的控制功能。大大提高了系统的安全性。

5 结语

本文以蓝牙微功耗技术为基础，结合iBeacon服务体系和STM32F103 ARM处理器以及LCD显示模块，设计了一套基于蓝牙技术的智能门禁系统。硬件部分主要包括电源电路、蓝牙模块电路、ARM处理器模块电路、LCD显示电路等。软件部分主要包括蓝牙信息采集子程序、按键处理子程序、显示子程序等。该系统通过蓝牙采集到的移动终端信息，对用户信息进行准确的判断，从而实现了移动终端控制门禁的功能。基于蓝牙微功耗技术进行门禁信息采集具有较高的准确性、安全性，成本低且便于实现。以ARM处理器STM32芯片作为控制核心具有数据处理快速和低功耗等优点。本课题以STM32开发板为平台进行了软、硬件的设计，系统运行正常，满足各项技术指标要求，可以正常进行数据的采集、传递和显示，为门禁系统提供了一种高效、安全的信息采集方式。

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