毕业设计（论文）-具有安防监测功能门禁系统中门禁控制器的设计.doc

天津工业大学毕业论文具有安防监测功能门禁系统中门禁控制器的设计全套设计加扣 3012250582姓 名： 院(系)别： 电子与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子094班 指导教师： 2013年 6 月 3 日天津工业大学毕业论文任务书 题目具有安防监测功能门禁系统中门禁控制器的设计学生姓名学院名称电子与信息工程学院专业班级电子094课题类型实际课题课题意义传统门禁系统只具有识别进入者身份的单一功能，不能满足现代安防系统的要求。本课题提出一种基于物联网技术的具有安防监测功能的门禁系统，该系统除具有门禁功能外，还具有防盗、防火监测功能，并采用无线传感器网络实现分布式安防信息采集，采集到的信息可通过WiFi连入计算机网络，实现远程监控。该系统具有多种安防信息同步采集、远程数据传输、安装方便、功能丰富等特点，具有很高的研究价值和应用前景。任务与进度要求课题的任务如下：（1）实现门禁功能，采用非接触IC卡和密码进行身份识别；（2）构建无线传感器网络，实现防盗、防火报警信息的分布式采集；（3）设计汇聚节点，将报警信息、进入者身份信息和时间信息通过WiFi传送给远程PC；（4）设计远程监测软件，记录进入者身份和时间；进行防盗、防火报警；并对现场进行视频监视。进度要求：2.283.15 查阅资料学习IC卡及读卡器的相关知识和无线数传模块的基本原理，并制定出合理的设计方案。3.164.23 根据制定的设计方案完成各部分硬件电路，搭建起试验和测试的平台。4.245.23 用LabVIEW设计出上位机，并配合硬件电路进行调试，做进一步优化。5.246.7 总结研究成果，编写毕业论文，毕业论文定稿，准备毕业答辩。主要参考文献1 廖戈文, 田翔. 多功能安防控制器中门禁子系统的设计J.安防科技. 2007, (7):127130. 2 魏振钢, 宋庆国, 张建军. 基于以太网的分布式智能门禁系统J. 计算机工程与设计. 2007, (4) :3437.3 王刚.基于非接触IC卡的智能门禁系统设计与研究D. 上海海事大学,2006.4 田晓明. 嵌入式门禁系统硬件的设计与实现D. 西安电子科技大学,2008.起止日期2013.2.28-2013.6.7备注院长 教研室主任 指导教师 毕业论文开题报告表 2013 年 2 月 28 日姓名学院电子与信息工程学院专业电子信息工程班级电子094题目具有安防监测功能门禁系统中门禁控制器的设计指导教师一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：门禁是安防所有子系统里面与人相关的第一道防线，在安全防范倍受重视的当下，门禁系统不仅在重要建筑体内应用规模日益增大，也开始越来越多地应用在之前被忽视的普通场所。需求决定产品，此时，门禁产品开始走向两个方向：联网型产品逐渐开始走向网络化，智能化而小型系统开始网络化和内嵌操作系统。研究的主要内容：（1）实现门禁功能，采用非接触IC卡和密码进行身份识别；（2）构建无线传感器网络，实现防盗、防火报警信息的分布式采集；（3）设计汇聚节点，将报警信息、进入者身份信息和时间信息通过WiFi传送给远程PC；（4）设计远程监测软件，记录进入者身份和时间；进行防盗、防火报警；并对现场进行视频监视。意义：传统门禁系统只具有识别进入者身份的单一功能，本课题提出一种具有安防监测功能的门禁系统，该系统除具有门禁功能外，还具有防盗、防火监测功能。采用无线传感器网路技术实现分布式安防监测，该系统具有安装方便、远程监测、功能丰富等特点，具有很高的研究价值和应用前景。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果2.283.153.164.234.245.155.166.7查阅资料学习IC卡及读卡器的相关知识和无线数传模块的基本原理，并制定出合理的设计方案。根据制定的设计方案完成各部分硬件电路，搭建起试验和测试的平台。用LabVIEW设计出上位机，并配合硬件电路进行调试，做进一步优化。总结研究成果，编写毕业论文，毕业论文定稿，准备毕业答辩。完成完成完成完成完成课题的现有条件MSP430开发板及相关资料审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日 摘 要随着信息技术的发展，智能门禁系统已成为“智能建筑”中必不可少的一个组成部分，在保护人身和财产安全方面具有重要意义。集成化、网络化、智能化和分布式的门禁系统已经成为门禁系统发展的重要方向。传统的门禁系统功能单一，只能用于对出入人员的限制，不便于管理员的管理，在安全性上也有很大程度的局限性。目前，国内生产的门禁系统大都是简单的门禁机，没有联网，不能和视频监控系统有机地结合到一起，安全性不足，管理员对出入人员的管理十分麻烦。因此研发一种和监控安防相结合的，能够采集温湿度，具有防火防盗功能并且可以通过Internet实现远程监控的现代化具有安防检测功能的门禁系统显得尤为重要。针对传统门禁系统存在的问题，本文提出并设计了一种新型的基于物联网技术的具有安防功能的门禁系统，具体内容如下：首先，本文介绍了课题的研究背景以及门禁系统的国内外发展现状和发展趋势。之后对射频技术和无线传感网络做了详细的研究，分析了整个系统的工作流程。接着对系统的设计原则、设计方案和模块划分进行了阐述。其次，详细介绍了所研究系统的组成、门禁控制器的硬件设计、系统中微控制器软件开发和远程监控软件的开发。对门禁控制器的总体设计做了规划，并详细介绍了单片机与射频读取模块、时钟芯片、键盘电路、存储器、液晶显示器、无线模块以及电磁锁等电路的接口电路设计。编写单片机程序，实现各部分的功能，用LabVIEW编写远程控制软件，并将整个系统整合到一起，完善系统的功能。最后，结合无线传感网络，对整个安防门禁系统做整机测试，表明系统的方案正确可行。对课题进行了总结和概括，提出了存在的不足，及要改进的地方，并对未来的智能门禁系统的发展前景进行了展望。本文提出的具有安防检测功能的门禁系统，具有保密性强、安全性高、取材方便、功能丰富、管理方便以及对突发事件强大的处理能力等特点。在智能大厦、住宅小区、宾馆、供电系统、银行系统等各种房间门的出入管理以及环境监测和安防设施等场合具有广阔的应用前景。关键字：门禁系统；射频识别；虚拟仪器；LabVIEW；RFIDABSTRACTWith the development of information technology, intelligent access control system has become intelligent building an essential component of the protection of personal and property safety is important. Integrated, networked, intelligent and distributed access control system access control systems have become an important direction of development. The traditional function of a single access control system can only be used to restrict access to personnel, the administrator is not easy to manage, in security is also a great degree of limitations. At present, the domestic production of large access control system access control are simple, no networking, and video surveillance systems cannot be organically combined together, lack of security, the administrator access to personnel management is very troublesome. Therefore, developing a combination of security and monitoring, can collect temperature and humidity, with a fire alarm functions and can be remotely monitored via the Internet with modern access control system security detection function is particularly important. The traditional access control system problems, this paper proposed and designed a new type of networking technology based security capabilities with access control systems, as follows:First, this paper introduces the research background at home and abroad as well as access control system development status and trends. After the radio frequency technology and wireless sensor network to do a detailed research, analysis of the whole system workflow. Then the system design principles, design and module division described.Secondly, the details of the composition of the studied systems, access control hardware design, software development system, the microcontroller and remote monitoring software. The overall design for the access controller to do planning, and details of the microcontroller and RF reader module, clock chips, keyboard circuit, memory, LCD, wireless module and solenoid lock circuit interface circuit design. Prepare SCM procedures, functions of each part, remote control software written in LabVIEW, and the entire system is integrated together to improve the function of the system.Finally, based on wireless sensor network, do the test of the whole security access control system, show that the scheme is correct and feasible. A summary of the subject and summarize proposed deficiencies and areas for improvement, and the future of intelligent access control system development prospect.The proposed detection function has security access control system, with a strong confidentiality, safe, easily obtained, feature-rich, easy to manage as well as emergencies powerful processing capabilities and other characteristics. In intelligent buildings, residential quarters, hotels, power supply system, the banking system and other room door access control and environmental monitoring and security facilities and other occasions have broad application prospects.Keywords: Access Control System (ACS), RFID, Virtual Instrument, LabVIEW目 录第一章 绪 论11.1 课题的背景11.2 门禁系统的发展现状11.3 课题的目的及意义21.4 主要完成的工作3第二章 总体设计52.1 系统的组成及工作原理52.1.1 系统组成52.1.2 功能描述72.2 方案论证82.2.1 无线传输方案82.2.2 射频卡读写方案102.2.3 电磁锁方案112.2.4 远程监测软件方案12第三章 硬件电路设计133.1 硬件电路总体设计133.2 供电电路设计143.2 单片机最小系统163.3 单片机接口电路193.3.1 RFID读取模块接口电路193.3.2 时钟芯片接口电路213.3.3 矩阵键盘接口电路223.3.4 存储器的接口设计电路233.3.5 显示器件接口电路243.3.6 无线模块接口电路243.3.7 指示报警电路253.3.8 电磁锁开启定时器电路253.3.9 电磁锁门铃电路26第四章 门禁机软件设计274.1 软件总体设计274.1.1 软件组成274.1.2 软件开发环境294.2 主程序设计304.3 软件流程图314.3.1 刷卡子函数流程图314.3.2 中断服务子函数334.3.3 密码进入子函数334.3.4 修改密码子函数344.3.5 卡片管理子函数354.3.6 时间管理子函数384.3.7 时钟芯片模块394.3.8 RFID读取模块40第五章 LabVIEW远程监测软件设计425.1 软件总体设计425.2 登录界面的设计445.3 图像采集的设计455.3.1 VideoCapX.OCX控件注册455.3.2 图像的采集465.4 网络通信UDP协议的应用475.5 数据库的设计485.6 文件I/O的操作和保存505.6.1 对Office系列的操作505.6.2 对文件夹的操作505.6.3 保存照片至特定文件夹51第六章 系统测试及结果526.1 系统测试平台526.2 门禁控制器功能测试及结果536.3 上位机远程监测功能测试及结果556.3.1 网络通信系统的测试556.3.2 数据库的调试566.3.3 摄像头的调试59结束语61参考文献62附 录63附件1：英文资料及翻译63附件2：硬件原理图70附件3：上位机前面板72附件4：整体实物图73谢 辞74天津工业大学本科毕业论文第一章 绪 论1.1 课题的背景门禁，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的数字化管理系统。用于控制人员的进出，将非允许的人员排除在外，从而能有效地保障生命财产的安全。门禁系统属于智能建筑楼宇自动化系统（BAS）中的安防系统1,2。作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统集自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术、生物技术等诸多新技术3。门禁系统在建筑物内的主要通道、出入口、电梯厅、设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部位的通道口安装门磁、电控锁或控制器、读卡器等控制设备，由管理人员在中心控制室监控，能够对各通道口的位置、通行对象及通行时间、方向等进行实时控制或设定程序控制，从而实现了对出入口的安全管理。适用于银行、宾馆、机房、仓库、机要室、办公室、智能化小区、工厂等各种场合。物联网的发展推动了技术和社会很大的进步，一系列基于物联网的创新产品应运而生，其产品也逐步融入到我们的日常生活当中，使我们的生活方式发生了巨大的转变。物联网就是利用事物内部的传感装置，将物体信息按照事先制定好的规则进行信息交换和通讯，以实现对事物的识别、监控、定位和管理为一体的网络4。由物联网技术为主的RFID技术、数字技术、网络技术的应用日益成熟，管理安全、可靠、灵活和方便的门禁管理系统成为了社会的主流。物联网技术的成熟和发展又进一步的促进了门禁机的发展和在生活中的广泛的应用。1.2 门禁系统的发展现状门禁系统的发展经历了一个由技术信息含量由低到高，安全性和实用性都在不断攀升的一个过程。目前，根据门禁系统的技术可以将门禁系统分为以下几种58：1、密码式门禁系统。该门禁机的出现使得管理人员对出入口的管理变得方便，但又存在着一些弊端，如密码被泄露、故障高等92、接触卡式门禁系统。安全性高，但由于门禁系统的卡片直接直接接触，使得卡片的磨损比较大，故障高。目前只有一些宾馆中使用该系统。3、感应卡即非接触式IC卡门禁。卡片采用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在读卡模块本身产生的特殊振荡频率，当卡片进入读卡模块能量范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信号到读卡模块，经读卡模块将接收的信号转换成卡片资料，送到控制器进行判断。4、生物辨识系统。它包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识和声音识别以及人脸识别装置等。这些门禁通常用于对安全性要求较高的出入口控制系统，视网膜辨识装置和声音辨识装置在正常情况下安全性极高，但若视网膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使用。智能门禁系统是根据现代科学技术的发展而迅速发展的，具有很广阔的市场空间，有很多大小型的公司都专门从事关于智能门禁控制系统的生产和研发。目前，国内外研发和实际使用的门禁系统一般都是集中在非接触式门禁系统（IC卡、RF卡）、生物识别门禁系统（如指纹识别、人脸图像检测识别等）。感应门禁系统是低端门禁市场的主流产品，该系统中的RF卡具有防碰掩能力，能实现多标签的同时识别，操作方便、快捷且使用寿命长。生物识别门禁系统是一个复杂且繁琐的系统，对技术的要求比较高且价格昂贵，它要应用于日常生活的门禁场合还需要很长的时间。在一些发达国家中，基于非接触式IC卡门禁正以远远高于其它类安防产品的进度迅猛发展，广泛应用在智能大厦、智能小区、办公室、宾馆等各种房间门、大门、人行通道的管理方面；在国内，门禁系统也已悄然兴起，包括邮电系统，供电系统，银行系统，住宅小区，度假村等各种类型的场所都已有使用门禁系统的范例，并且呈现出高速发展的态势10。1.3 课题的目的及意义本课题提出一种具有安防监测功能的门禁系统设计方案，与传统门禁系统相比具有明显优势。该系统除具有识别进入者身份的门禁功能外，还具有防盗、防火监测功能。与物联网技术结合，通过无线传感器网路实现分布式安防监测。门禁管理系统已成为安全防范系统中极其重要的一部分，门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是因为其改变了以往安防产品如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动地控制替代了被动监视的方式，通过对主要通道的控制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时通过对通道门的控制限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失。本方案提出安防监测功能门禁系统除了具有普通门禁安防功能以外还具有视频检测、温湿度检测、温湿度报警和人体检测功能。巧妙地将门禁系统和安防系统结合到一起，相比普通的门禁系统具有以下优点：具有以下几个特点：1、保密性强：打开锁需要Mifare射频卡，该卡根据ISO9798-2使用3 轮确认，保密级别很高11；2、安全性高：该系统不仅仅是普通的门禁机，而且具有摄相机采集图像信息，具备防盗报警功能；3、遇到突发事情处理能力强：采用电磁锁，遇到火灾情况时能够提前报警，并且记录报警信息，自动打开电磁锁，能够将灾害扼杀在萌芽之中；4、能够实现远程监控：LabVIEW设计的上位机能够将通过Web进行发布，实现远程监视和控制；5、功能丰富：该监控系统具有强大的功能，同时具备门禁系统和监控系统两大安防内容，还具备烟雾检测、温湿度测量、防盗报警和数据库记录等功能；6、集成度高，使用方便：一套软件平台可以控制管理系统里的所有设备，降低用户维护成本；7、功耗低：采用超低功耗的MSP430F149作为主控芯片，在不工作时处于休眠状态，极大地降低了电路的能源消耗。本课题提出的安防监测功能门禁系统在很多行业具有广阔的应用前景，主要包括能源行业（电力行业变电站，水利行业变电站/泵站）、通信行业（电信/网通机房，移动/联通/电信基站，其他行业计算机机房）、仓储行业（军队/武警仓库，粮库/烟草库/冷库；其他行业仓库监控）、环保行业（重大污染源监控，发电厂核电站等高辐射、高污染的场所）、保密机构（政府机关，重大安全机构监控，保密场所的远程综合监控）以及医疗行业（病房监护、特殊病人的隔离护理、制药企业精密车间、生产线综合监控）等众多行业领域。1.4 主要完成的工作所提出的具有安防监测功能门禁系统中门禁控制器包括无线传感器网络、门禁控制器和基于LabVIEW的上位机三个部分，本课题的工作是完成门禁控制器子节点和基于LabVIEW的上位机的设计。课题的具体工作如下：1、研究电子门禁控制器的工作原理，查阅文献，制定系统总体设计方案，进行方案论证。2、设计门禁机子系统的硬件电路设计，完成对门禁机子系统实时时钟模块、RFID射频卡读取模块、外部数据存储模块、矩阵键盘电路和报警电路模块的设计与调试。3、制定上位机和下位机通信应用层的协议，编写门禁机子系统的程序并进行调试，实现出入管理控制等功能。4、编写上位机程序并进行调试，实现上位机的数据处理、显示和储存功能。5、完成系统整合，对系统进行测试。76第二章 总体设计具有安防监测功能门禁系统主要有三个部分组成，即电子门禁控制器、无线传感器节点和基于LabVIEW组成的上位机。本文主要就电子门禁控制器和基于LabVIEW组成的上位机进行详细说明，无线传感器节点仅作概述。2.1 系统的组成及工作原理2.1.1 系统组成该系统由门禁机节点、温湿度节点、人体检测节点、烟雾节点和视频监控模块组成，如图2-1所示。其中人体检测节点作为数据汇总节点，将数据通过转换与WiFi发射模块构成一个网关，负责无线网络和WiFi间的数据通信。远程监测软件是运行在网络上的一个PC机上的，能够通过网络通信采集各个节点的数据，还可以看到监控摄像头采集到的数据，用于监测和管理整个运行环境。门禁机的主要功能是对进入人员的出入管理，该门禁的打开方式为刷卡加密码。并且具有时间显示、进入人员管理和密码修改等功能。无线传感器网络是由部署在房间里的传感器节点构成，通过无线通信的方式将各个节点的信息传播到总节点，总节点又通过WiFi将信息发布到网络。上位机作为一个远程控制管理软件，连接到由总节点建立的局域网之后，可以接受到从总节点发送的携带有特定信息的数据。上位机软件对这些数据进行必要的处理之后，能够在显示界面显示出来，并且把有用信息在电脑本地进行保存。上位机本身也具有一定的操作和管理功能，可以对上位机本地用户进行查找、添加和删除功能。在整个系统中，门禁机的结构和功能都比较丰富。门禁机的主要核心是以MSP430F149组成的单片机系统。单片机最小系统由电源电路、复位电路和时钟发生电路组成。单片机的输入设备为矩阵键盘和RFID射频读卡器，单片机扫描矩阵键盘从而读取键值，用户刷卡时，读卡器采集到卡片的标识信息，将信息传输到单片机中。门禁机通过LCD12864显示时间信息和管理界面，对时间的操作时通过对DS1302时钟芯片进行读写来完成，对用户的管理是单片机通过对外部EEPROM的读写操作完成。提取到矩阵键盘或者读卡器发送的信息之后，经过一系列算法的处理，并和存储芯片中的数据对比之后，单片机做出判断，打开电磁锁，或者在报警电路进行报警。图2-1 监控系统总体框图图2-2是系统的工作过程图，各个节点采集到数据以后，通过无线模块发送到数据汇总节点，该节点起到了一个网关的功能，将接收到的数据转化成为网络信息，通过WiFi模块发布到Internet上。远程监控软件接入到网络之后，接收到该数据，对该数据进行处理之后做出相应的反应，保存和显示各个节点发送的数据。图2-2 系统工作过程图2.1.2 功能描述作为一个完整的电子门禁系统，由各方面的功能共同组成。每个模块共同合作才构成了系统的完整性，每个模块的协调才组成了系统的正常工作。模块与模块之间相互依赖，共同工作，缺一不可。在整个系统中，各个部分又能独立完成自己负责的模块功能。从整体考虑，该系统由以下几个功能组成：1、管理员功能：系统有一名管理员，管理员具有最高权限。管理员可以对门禁机进行管理，包括用户的删除和添加、密码的修改和时间的管理功能。管理员对门禁机的每一次操作都将产生一个事件，存入数据库中，作为操作记录供系统管理查询，叫做管理员事件。2、使用者功能：本系统中门禁机最多可以管理200名使用者，系统数据库中记录每个使用者的卡号和姓名及其他个人资料。系统可以对使用者进行增加、删除、个人资料修改或查询。每一次使用者的一次刷卡操作都将产生一个事件，存入数据库中，作为操作记录供系统管理查询，叫做使用者事件或用户事件。3、门禁机管理功能：门禁机可以根据自身模块功能，可以完成多种操作。待机状态下，与时钟芯片进行通信，在液晶显示实时时间。在管理员使用功能时，能够对管理员进行识别，在液晶上对管理员的操作进行中文提醒，完成管理员对门禁机的用户的删除和添加、密码的修改和时间的管理等操作，在产生管理员事件后能够自动将事件信息上传至上位机中。在使用者使用时，门禁机提取使用者信息，并与本地数据库对比，完成使用者开门操作，在产生用户事件后能够自动将事件信息上传至上位机中。4、上位机管理功能：上位机作为远程监控软件，可以显示监控环境中的温度、湿度、烟雾、入侵状况和对门禁机的各种操作，还能显示摄像头采集到的图像。上位机通过网络通信，对由总节点发送的数据进行接收，进行接收之后，又经过数据的一系列处理之后，根据数据值，判断环境参数，进行显示和报警。在这些操作的同时，上位机自动生成日志。上位机具有丰富的按钮，便于管理人员的操作。5、报警管理功能：当监控环境中的各项参数发生非正常变化时，这些变化通常是由烟雾值超标、发生人员入侵、门没有关上和门禁机破坏等操作引起的，系统会在远程监控的上位机上显示警报操作，显示发生警报时间的种类、位置等操作，并伴随有声光等警报信号。6、事件管理功能：系统对管理员事件、用户事件和各类故障事件进行分类处理，存入数据库并生成日志文件。可根据日志文件查询所需事件，并生成打印事件报表。系统的这些功能之中，一部分是由管理中心计算机上的远程管理软件实现，另一份则是有门禁控制器上的软件实现。具体将在软件设计和上位机的章节中具体进行描述。2.2 方案论证2.2.1 无线传输方案目前，各种无线通信技术迅猛发展，比较成熟的无线通信技术主要有ZigBee、蓝牙（Bluetooth）、红外（IrDA）和无线局域网802.11（Wi-Fi）等几种。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。因此，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如：PDA、手机上广泛使用。并且还具有移动通信所需的体积小、功能低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台设备之间的连接12。Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。IEEE802 11的最初规范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价。ZigBee无线通信技术及其应用探讨的，因此大多数便携Wi-Fi 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用13。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。与蓝牙相比，ZigBee更简单、功率及费用也更低。蓝牙的价格等原因让人们难以接受，蓝牙对每个蓝牙组成的网络有只能配置7个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用，不利于传感器节点的扩展 14。几种无线通信方式的比较如表2-1，通过几种无线通信的各种参数对比并结合我们设计所使用的场合，本课题在无线节点选用ZigBee系列的芯片CC1101。为了便于笔记本等设备的接收，在数据汇总节点将无线信号转换成WiFi信号，直接利用笔记本的无线网卡就可以接收传感器网络的数据。表2-1 几种无线通信方式对比BlueToothWiFiIrDAZigBee国际标准IEEE.802.15.1xIEEE.802.11bIEEE.802.11g无IEEE.802.15.4系统开销较大大小小电池寿命较短短长最长网络节点7302255物理范围10m100m定向1m1100+传输率1Mbps11Mbps16Mbps20/250kbps传输介质2.4GHz射频2.4GHz射频980nm红外2.4GHz射频主要应用移动设备、笔记本、蓝牙耳机等无线上网、PC机、局域网家电遥控器等无线传感器、无线遥控设备2.2.2 射频卡读写方案近些年，自动识别技术得到了跨越性的普及和应用，已经应用到了生活中的方方面面。它经历了条形码、二维码、光学符号识别、语音识别、生物识别、IC卡识别、射频识别几个发展阶段。条形码由于输入速度快、价格低、可靠性高、运用灵活等特点使得条形码在商品代码的领域有着普及性的使用，但由于其数据容量小、占用空间大、容易复制等特点在某些保密性较高的领域受到了限制。生物识别技术主要是指通过人类生物特征进行身份认证的一种技术，常用的生物识别技术包括指纹识别、人脸识别、语音识别、视网膜识别技术等。语音识别、生物记数测量法相对比较复杂，仿造困难，增加了该识别技术的唯一性、防伪性，安全可靠。目前，如何降低拒识率、误识率，缩短识别时间成为该技术进一步推广的关键。IC卡识别和射频识别是目前比较成熟且应用广泛的两种技术。IC卡以前在公共电话中用的比较多，芯片外露易坏、易折，作为一种数据存储器系统，它们内有CPU，可防止数据被更改，识别时间短，简单、安全。IC卡识别系统存在触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力的缺点。射频识别系统通过无线电波进行识别，克服了与触点接通易受干扰的缺点（例如被破坏、污染、只有一个插接方向、插入费时等），继承了IC卡识别系统的全部优点：1、支持非对称密码算法（或对称密码算法），并支持线路加密、线路保护功能，接受发卡单位在卡内设定的密钥系统和安全认证机制控制，它的安全性是建立在专用、安全的微处理器硬件平台和安全、可靠的软件操作系统基础之上。除了能实现密码校验之外，还有建立在密钥和安全算法基础上更为安全的认证机制，认证过程以随机数为载体，认证码无法重复和跟踪。其密码校验、密钥认证以及文件操作可以在线加密或加认证码，防止通过在线测试对相关数据进行分析、篡改和重放。另外，还支持非常灵活的密钥系统设计，可以根据需求设计多种逻辑组合的文件访问权限设计，因此具有更高的安全性；2、存储容量大，支持在一张卡上实现多种不同的应用，建立二级或二级以上的目录。由于该卡具有大容量的特点，且由操作系统管理芯片硬件资源，可以根据需要，自由设计不同应用文件的密钥系统，在逻辑上和物理上保证一卡多用；3、在通讯协议文件和命令方面有详细的国际标准可以遵循，其外部特性可以通过操作系统进行扩充和修改，实现更好的兼容性和功能扩展性。表2-2是常见识别的区别，通过该表可以看出各种识别技术的参数对比，从而确定我们选择RFID射频卡作为识别方案。表2-2 常见识别技术的区别信息载体信息量读/写性读取方式保密性智能化适应能力寿命ISO标准成本条码纸、塑料膜、金属表面小只读CCD、激光束差无差较短有最低磁性条磁性物质一般读/写电磁转换一般无较差短有低IC卡E2PROM大读/写电擦除较好有好长有，不全较高RFID 卡E2PROM大读/写无线通讯最好有很好最长有较高2.2.3 电磁锁方案电控锁是一个由继电器控制的磁力装置，目前市场上有多种电控锁设备，归类来说可以分为阴极锁、阳极锁、电插锁和电磁锁等。每一种电控锁都能实现对门的开闭操作，但从实用性和安全控制角度去考虑，电磁锁最适合做门禁机用。电磁锁具有以下几个特点：1、安装方便：不需要任何专业技能就能安装。2、符合通道门体消防规范：属于常开型，完全符合通道门体消防规范，即：一旦发生火灾，门锁断电打开，避免发生人员无法及时离开的情况。3、抗拉力大：电磁锁按抗拉力的大小分为150kg、180kg、270kg、300kg、500kg等多个级别，可以按照不同的场合选择不同的拉力值。4、噪声小：没有内置电机等，开闭均有电磁力完成，不产生任何噪声。5、功耗低：电磁锁工作时电流小于500mA。6、状态提醒：具有反馈功能，能检测门的开关状态。由于电磁锁具有以上几个特点，又考虑到我们应用的环境，最终我们采用电磁锁作为我们的电控锁单元。2.2.4 远程监测软件方案虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。除上述特点之外，与传统仪器编程工具Visual Basic，Visual C+相比，虚拟仪器还有如下几个方面的优势15。 1、虚拟仪器用户可以根据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。 2、虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。 3、由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比行多用户数据共享。4、虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。5、虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面（GUI），用计算机直接读数。根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。6、虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。和传统仪器编程工具相比LabVIEW的使用和开发都具有明显的方便，这对于电子相关专业的工程师来说无疑是一个很好的选择。对于远程监控软件的具体描述和功能将在以下章节中重点描述。第三章 硬件电路设计3.1 硬件电路总体设计该门禁机节点的主要作用是对出入人员的管理，主要是通过控制外围器件来起到对出入人员的验证、记录和保存。作为一个完整的控制单元，应该具备完整的功能，包括完善的事件管理、报警管理、提示和指示、电源管理和通信功能。完整的事件管理包括管理员的事件管理和用户事件管理。用户能够通过刷卡和输入密码来打开门进入房间，在里面通过出门按钮打开门走出房间。管理员除了这些以外能够对出入人员进行添加和删除，对密码的修改和更改时间等操作。门禁机节点能够通过无线模块CC1101与远程控制软件进行数据通信，门禁机能够将每一个管理员和用户事件发送到远程控制软件中，让远程控制软件通过采集并分析之后进行显示、警报和保存。门禁机的指示和提示是指门禁机能对电源状态、运行状态用LED或液晶显示器进行指示，并且对读卡后的处理结果发出反馈信息。门禁机节点的硬件电路设计主要分为供电电路、单片机最小系统、单片机接口电路和电磁锁驱动电路。其中单片机接口电路十分丰富，分为RFID读取模块接口电路、时钟芯片接口电路、键盘接口电路、存储器的接口电路、显示器件接口电路、门铃驱动电路、无线模块接口电路、指示报警电路等。如图3-1所示，在各个模块的电路中，每个模块都有各自的功能，协调工作，完成整个门禁机节点的各个功能。每个模块的工作都需要电源，供电电路为整个门禁机节点提供电源。处理器主要是控制每个部分的有序运行，通过程序调节每个模块的运行方式以及对每个模块进行数据的采集和发出控制使模块执行相应的操作。LCD12864液晶显示器显示时间和各种事件的操作提示。RFID射频读取模块起到对进入人员所持卡片的读取操作，通过自身的天线，与射频卡进行能量和数据的交换操作，最终将卡片内的标识信息输入到单片机寄存器中。24C64主要对卡片和密码信息的存储操作，单片机通过读取存储器来进行验证卡片和密码，管理员更改密码和卡片信息之后保存到存储器内部。时钟芯片DS1302起到实时时间的提供，芯片内部保存实时时间信息，与单片机通信之后，单片机将实时时间显示到液晶显示器上面。 图3-1 硬件总体结构3.2 供电电路设计如图3-2是电源供电的结构图，在整个门禁节点的设计中供电电源以市电（220V，50Hz）经电源电路处理后变为低电压的直流电源来为整个电路供电。转化后的电压有+12V，+5V和+3.3V。+12V的电压主要为电磁锁和门铃电路等需要较高电压和大功率的用电器件提供电压。+5V提供给LCD12864液晶显示器和蜂鸣器。+3.3V为单片机、LED、时钟芯片、EEPROM、无线发射模块和RFID射频读取模块来供电。由于电磁锁是以电磁线圈的电磁效应产生的吸附力作为主要的闭合力量，因此需要的功率相对较大。在电源的设计中，为电磁锁设置了驱动电路。处理器及其外设需要采用不同的电源电压，在电路中采用稳压芯片获取相应的电源电压。图3-2 电源供电结构图由于本设计采用市电（AC220V，50Hz）对系统进行供电操作，首先要将市电转化成系统需要的电源电压。如图3-3所示，该变压器的设计主要包括变压、整流、滤波和稳压四个步骤。变压的过程是将AC220V电压经变压器降压操作之后变成AC12V的交流电。整流是运用二极管的单向导电性，将交流电通过由四个二极管的整流管进行整流之后，将交流电的下半周进行镜像处理，成为了一个只具有正半轴的直流电源。滤波的过程实际上是一个对电源信号的积分，滤波电路其实就是一个积分电路，使电源电压变得平缓，用示波器观察可以看到滤波之后的电压已经接近一跳直线。稳压是使用三端稳压器LM7812来实现的。电源经过变压、整流和滤波之后得到近似于直流的一个电压，经LM7812稳压之后，在LM7812的输出端得到一个电源大小为12V，功率为12W的直流电压。LM7812的输出电流大，可以达到为1A，最大功率为12W，完全可以满足用电器对功率的要求。LM7812使用方便，只有三个管脚。采用TO-220的封装形式，方便安装散热架，使芯片在工作时能够稳定持续地输入电压。图3-3中，F1是保险丝，熔断电流为1A，为