基于物联网的门禁系统设计

吴超琼， 许钟华， 陆晓兴， 杨才广

（广西民族师范学院 物理与电子工程学院， 广西 崇左532200）

1 系统方案设计

门禁终端采用STM32F103C8T6 作为主控单元，该芯片采用Cortex-M3 架构，频率72 Mhz，支持程序和数据加密，在低成本和安全的同时满足系统设计需要［1］。 软件中间件使用FreeRTOS 操作系统来调度任务。 外围组成单元及模块主要有4×4 矩阵键盘负责人机交互，门禁密码的输入，用0.96 寸OLED 屏幕显示信息，AS608 指纹模块负责识别指纹并存储指纹信息，DC-DC 电源管理单元为系统不同外设提供不同电压的稳定电源，SHT20 数字温湿度传感器负责检测门禁终端系统周围的温湿度数据，通过互联网传输至服务器，中转至手机APP，在手机APP 上显示温湿度。 ESP8285 WIFI 模块帮助门禁终端设备接入互联网，且可提供OTA 升级功能。 门禁终端系统框图如图1 所示。

服务器端采用阿里云轻量级服务器，该服务器拥有IPV4 下的固定公网IP，为数据传输带来了便利。 服务器作为一个中间设备，提供数据转发、账号授权和终端设备OTA 升级。

图1 门禁终端系统框图Fig. 1 Block diagram of access control terminal system

APP 端，目前适配安卓7 至安卓9。 APP 端作为物联网设备的主要交互方式，在APP 上可以看到终端设备的温湿度信息和门禁锁的状态（开启还是关闭）。 在交互方式上，可以通过输入密码远程解锁，或者验证手机持有者的指纹远程解锁。 系统的网络结构图如图2 所示。

图2 系统网络结构图Fig. 2 Network structure diagram of the system

2 系统运行框架

（1）门禁终端设备软件更新。 本设计门禁终端可进行OTA 升级。 终端加电，在BootLoader 中会初始化ESP8285 WIFI 模块和OLED 显示模块，主控芯片发送指令给ESP8285 使其连接指定服务器，建立连接后发送握手协议，握手协议自行设计的特定信息，用于设备验证。 服务器解析验证正确后，既可访问服务器。 随后主控芯片发送系统软件版本查询命令，服务器给予反馈，如果版本高于本地，主控芯片发送更新请求，服务器响应并发送最新的程序，OLED 屏幕显示更新信息。 软件更新的流程图如图3 所示。

图3 软件更新流程图Fig. 3 Flow chart of software updates

关于OTA 升级，在实际的使用过程中，用户代码一般都会大于芯片的内存大小，这样升级的时候会有限制用户代码的大小问题。 采用DMA 双缓存机制，来协调程序写入flash 的时差问题和内存大小的问题。 ESP8285 是通过串口和主控通信，波特率为115 200［2］，所接收的用户程序也是通过串口发送给主控芯片。 在接收处理上，创建两个大小为4 097字节的数组，BUF1 和BUF2，使用DMA 来接收数据，数据长度为4 096字节，通过DMA 溢出中断来切换BUF1 和BUF2，F1 系列的芯片没有硬件DMA 双缓存，所以手动切换。 经过测试计算，115 200波特率下，使用溢出中断切换BUF 的时间小于一个位发送的间隔时间，也就是说可以不丢失数据完美切换BUF，通过一些设定的标志位来判断某个BUF 是否接收完成，并写入到主控芯片的flash 中，接收4 KB数据的时间要大于写入4 KB 数据到主控flash 中的时间，直到全部接收完成。 整个通信过程，服务器到ESP8285 是通过TCP 协议，TCP 可靠，有丢包重发机制，所以数据直接透传［3］。 ESP8285 到主控芯片，使用UART 通信，在115 200 波特率下，误码率为0%［4］，所以在这一环节数据同样可以稳定可靠的传输。

（2）门禁终端主体程序。 程序进入了用户代码，首先初始化各个外设。 然后创建一个任务用来创建用户任务，创建完成之后会删除。 整个操作系统负责调度的任务有键盘扫描任务，获取用户输入的数字密码、温湿度检测、检测环境的温湿度、OLED屏幕显示、功能切换、网络通信。 每两秒更新上传一次温湿度和门禁锁状态数据，断线重连、触摸检测（该任务包含了指纹验证），获取用户输入的指纹信息、开锁、网络授时，可获取当前北京时间。 门禁终端软件的总流程图如图4 所示。

图4 门禁终端软件流程图Fig. 4 Flow chart of access control terminal software

（3）服务器端。 通过APP 和终端各自函数中填写服务器固定IPv4 地址，为其开放的端口使用socket 发送设备ID 进行账号验证授权。 账号授权后，建立连接，验证APP 和终端预设信息，不符合则返回预设值。 开始数据接收，此时云端开始检测APP 和终端是否都在线，若对方未上线则返回未上线消息，同时在云端打印接受的数据（丢弃该数据）等待APP 和终端上线后才可转发消息。 服务器工作的流程图如图5 所示。

（4）手机APP 端。 APP 启动后，初始化网络、指纹、广播等控件，发送设备ID 验证账号，建立起socket 连接［5］。 建立连接后，等待终端上线。 若使用密码解锁，获取到从键盘输入的字符转发为特定开头的数据发送至云端，再由云端转发至终端。 密码校验成功／失败则通过云端返回一个解锁／已锁值。 接收到这个值即可判断此时门禁的状态；若使用指纹解锁，则调动系统指纹模块，将该指纹数据以特定形式发送。 完成远程解锁。

当APP 和终端完成连接后，APP 接收终端通过云端发来的特定数据，进行模块化显示，并广播此时门禁的状态。 手机APP 工作流程图如图6 所示。

图6 APP 工作流程图Fig. 6 Workflow diagram of APP

3 系统调试

将硬件平台与软件平台进行联合测试。 首先，在手机上安装物联网门禁系统APP；将门禁终端设备加电，接入网络，物联网门禁系统APP，进行终端、服务器与APP 互联，进行各项功能测试。 门禁终端设备的实物图如图7 所示。 物联网门禁系统APP 界面如图8 所示。

图7 门禁终端设备实物图Fig. 7 Physical drawing of access control terminal equipment

图8 物联网门禁系统APP 界面Fig. 8 Interface of internet of things access system APP

首先，测试本地开锁功能，本地终端有两种方式开锁，一种是按键密码开锁，一种是指纹开锁。 提前存储数字密码和用户指纹信息，通过测试按键输入正确密码和输入正确指纹后可成功开锁。

其次，测试通过手机APP 远程开锁功能，手机APP 也有两种方式远程开锁，一种是输入密码开锁，另一种是输入指纹开锁。 打开手机物联网门禁系统APP，在APP 上输入密码可成功远程开锁，输入指纹也可成功远程开锁。

4 结束语

本文设计的物联网门禁系统采用模块化设计，减小了终端体积，有效降低终端功耗。 设计了多种开锁方式，提高了门禁的便利行、智能性和安全性。测试表明，各方式开锁便利快速，通信稳定可靠，通用性高，易于扩展应用。