基于STM32的智能门禁系统设计探究

孟 洋

（长沙民政职业技术学院，湖南 长沙 410004）

0 引 言

研究基于STM32的智能门禁系统的设计方法，需了解STM32的基本定义。结合当前门禁系统的基本应用情况，通过指纹识别、射频系统2种技术结合相关辅助设备，以STM32为基础完成智能门禁系统设计，并实现系统在用户登录、信息管理、门锁控制、信息管理等方面的功能，切实提升门禁系统的使用效果，保证建筑内人员安全。

1 STM32概述

STM32是意法半导体（ST）集团生产的基于ARM公司Cortex-M3内核的32位高性能微控制单元（Micro Controller Unit，MCU），其中ST指芯片制造商意法半导体，M指微控制器，32指32位的微控制器。目前来说，STM32广泛应用于工业自动化控制、扫地机器人、四轴飞行器、智能手环以及智能门禁等多个领域。

2 基于STM32的智能门禁系统硬件设计

2.1 硬件设计方案

硬件电路是整个门禁系统正常运行的物质基础，在考虑开发可行性的基础上，还需要兼顾系统的性能、成本、功能等，以此来确定系统的整体硬件设计方案。硬件系统单片机选择的是STM32F103ZET6，其他模块包括继电器模块（射频识别、指纹识别等）、射频读写芯片（MF RC522）、光学指纹识别模块（AS608），通过C#软件系统进行人机交互界面编写，再以串口进行STM32F103ZET6、上位机通信。系统结构分布情况：中间模块为STM32F103ZET6；上部模块包括上位机、电源、继电器以及蜂鸣器；下部模块包括MF RC522、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）液晶显示模块以及AS608指纹识别模块[1]。

2.2 MCU主控芯片选取

选择的主控制器为ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32-103ZET6，该芯片包括32位内核，存放数据、程序的闪存存储器达到512 kB，工作频率能够达到72 MHz的内置中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM），可直接进行周期访问，具备输入输出（Input/Output，I/O）端口、与外围总线（Advanced Peripheral Bus，APB）连接的外设以及相应数量的高级定时器、基本定时器、通用16位定时器、12位数模转换器（Analogue-to-Digital Conversion，ADC）以及通信接口等。同时，配备了可变静态存储控制器（Flexible Static Memory Controller，FMSC）模块，用于连接液晶显示器（Liquid Crgstal Display，LCD）、扩展SRAM，以FSMC直接驱动LCD；为便于后期维护，选择以R8、R7电阻隔离MCU、外部电源[2]。

2.3 串行外设接口

串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI）用于解码器、数字信号处理器、实时时钟、FLASH以及EEPROM之间，芯片管脚需通过MISO、MOSI、SCLK、NSS这4根线连接外部器件。其中，MISO指设备输入/输出信号线；MOSI指输出/输入信号线；SCLK指时钟信号线，主机产出输出，并进行设备输入；NSS指从设备选择信号线，在有数个从设备连接MCU时，通过主机操控设备从设备的NSS信号线设定为低电平，选中从设备，如此可规避与SPI可能出现的冲突[3]。

2.4 指纹传感器

传感器是前端设备，用于采集指纹图像，其对门禁系统能否发挥作用起到重要的影响，可从以下数个方面考虑如何选取传感器。一是对湿手指、干手指等不同手指有着高适应性；二是可进行活体指纹鉴别，例如可直接判断出橡胶手指、指模等并非人的手指；三是抗静电能力强；四是寿命长等。综合以上因素，可选择ATK-AS806光学指纹识别装置，该装置有着丰富的功能，包含31条指令，ATK-AS806指令功能示例分析如表1所示。

表1 ATK-AS806指令功能

2.5 射频识别设计

指纹传感器在应用过程中可能会因手指干、指纹脏污、磨损等原因造成指纹难以正常识别，针对该种情况，引入射频识别装置，采用的是MF RC522射频读写芯片，可实现自动寻卡[4]。在进行MF RC522接口设计时，考虑到MF RC522支持各种形式的微控制器接口，包括串行通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte，UART）接口、内部集成电路（Inter-Integrated Circuit，I2C）总线、SPI等。各种形式的接口模式要求以对应的管脚连接，故而须设定一一对应的程序；门禁系统中的STM32以SPI总线连接MF RC522，传输速率最高可达10 Mb/s，I2C与低电平对接，EA与高电平对接，其他暂时不用的管脚可以悬空处理。SPI接口管脚各种连接方式如表2所示。

表2 SPI接口管脚各种连接方式表

3 基于STM32的智能门禁系统软件设计

软件系统设计由C#完成，可应用于Windows 11系统，通过Visual Studio22设计应用程序，从以下要点进行分析。

3.1 软件设计流程

（1）建设Windows窗体项目。点击菜单命令文件，后续按照固定的流程完成建设工作，包括选择适宜的模板，设定保存位置、输入名称，确定项目创建。

（2）添加控件以及设计用户界面。借助工具箱选择窗体适宜位置一一添加各种控件，打开属性窗口，设置各项空间的颜色、位置、大小等[5]。

（3）程序代码设计。通过Windows程序确定基本的编制机制，根据控件或者窗体可支持的事件、方法进行编写。

（4）程序运行、测试。点击菜单启动程序，完成程序测试。

（5）项目保存。点击菜单命令文件，将保存项目全部保存。

3.2 功能模块设计

（1）登录模块。用户在输入申请的账号、密码后完成身份验证，身份确认无误后方可进入系统。

（2）用户管理。选择具体识别方式包括指纹识别、射频识别，在上位机装设通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）转串口的驱动程序，与串口连接后，可智能化完成硬件驱动程序安装，设备管理器可查看并打开串口。该模块用户可输入基本信息、指纹信息、卡号等，并可删除射频卡、指纹信息。用户权限设定为普通用户、高级用户，其中普通用户只能选择1种开门方式，而高级用户拥有2项权限，并定期清理长久不再使用的指纹、卡片信息[6]。

（3）操作日志记录。该模块用于记录软件系统历史操作，按照列表方式呈现，用户可通过输入关键词的形式查询操作日记记录，并可删除相关记录。

（4）信息查询。记录用户各个时间段出入门禁状况，在“起止时间”条框输入查询时间，显示该时间段内门禁使用情况，并可导出查询结果，用户可结合导出记录表统计各个阶段的指纹验证信息、刷卡信息等[7]。

（5）门锁控制。控制中心发送指令，通过STM32控制继电器，确保特定时间开启、关闭大门，如在出现火灾事故时及时开启大门用于人群疏散。

（6）指纹模块功能。启动系统后，实现对微控制器、AS608等装置的初始化处理，再安排后续的检测工作，进行触摸感应状态感应，在感应到触摸键值为删除或者录入指纹后，执行指纹库管理工作，实现指纹清空、删除、登记等任务。指纹识别模块检测到指纹后进行指纹认证，发送PS_GetImage取图像指令，存储到ImageBuffer，通过if语句判定指纹图像获取是否成功。如果成功，则进行指纹图像特征提取，生成模板，并通过PS_HighSpeedSearch以1∶N匹配模式进行指纹库搜索。如果可寻找到匹配指纹，则开门；如果匹配不成功，则重新进行指纹采集以及搜索匹配。若是3次匹配不成功，系统锁定，等待10 min后再次使用[8]。

（7）射频模块功能。启动门禁系统后，进行微控制器、MF RC522端口初始化，涉及MF RC522寄存器初始化配置、SPI初始化等。完成初始化后，在系统感应到射频卡后，自动启动防冲突程序，确保只有1张卡片能进行认证。如果认证成功则开门，如果失败重新寻卡，在3次认证都表示失败后，系统自锁、掉电[9]。

（8）数据库模块。数据库主要是结合数据结构进行各项数据的采集、存储、组织以及管理等，结合用户要求完成需求分析，结合系统功能、需求分析结果，规划数据库实体对象。通过实体-联系（Entity Relationship，E-R）图分析数据结构，其中用户连接用户编号、账号、密码，而用户信息实体数据包括编号、姓名、性别、联系电话、住址以及卡号等，用户开门信息实体数据包括编号、开门编号、开门时间、事件类型，系统日志记录实体数据包括操作编号、操作人编码、操作内容、操作日期以及操作网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址。通过数据库模块实现各项数据的综合化、整体化管理，确保数据的真实、有效、可靠、全面以及实时性，提升门禁系统的智能化水平[10]。

4 结 论

基于STM32的门禁系统设计展开了论述与分析，具体实践中需要给予STM32的门禁系统足够的重视，分析各个模块设计的优势与不足，发扬优势、弥补不足，关注门禁系统应用实效，结合其应用反馈其对加以调整、优化，使其发挥出更好的应用效果。