Linux架構(gòu)下智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)接口技術(shù)
RFID世界網(wǎng)
杜明芳
摘要： 論述了在Linux操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)基于ARM7TDMI內(nèi)核S3C44B0X微處理器的智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)通信接口技術(shù)。設(shè)計(jì)了以以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS為核心的接口硬件電路，說(shuō)明了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、編譯流程，開(kāi)發(fā)了運(yùn)行于uCLinux操作系統(tǒng)的服務(wù)器端程序和運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的客戶(hù)端程序，實(shí)現(xiàn)了基于TCP/IP協(xié)議的雙向通信。測(cè)試表明，系統(tǒng)通信正常，可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
Abstract：
Key words :
1 概述
數(shù)字安防系統(tǒng)綜合利用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)字信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)社區(qū)各種安防信息的采集、處理、傳輸、顯示和高度集成共享。數(shù)字安防系統(tǒng)包括門(mén)禁、CCTV視頻監(jiān)控及防盜報(bào)警3個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)、信息網(wǎng)、電話網(wǎng)、電視網(wǎng)等不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)行、綜合管理的目的。
門(mén)禁控制系統(tǒng)主要起到出入口管理的功能，并可將防盜報(bào)警信息、CCTV報(bào)警信息、消防信號(hào)等集成到門(mén)禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，因此，門(mén)禁系統(tǒng)在數(shù)字安防系統(tǒng)中占有重要地位。門(mén)禁控制器作為整個(gè)門(mén)禁控制系統(tǒng)的核心，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸?shù)戎匾ぷ鳌鹘y(tǒng)的門(mén)禁控制器通常采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)，采用串行通信接口向遠(yuǎn)程上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，多個(gè)門(mén)禁控制器往往組成RS485網(wǎng)絡(luò)。本文提出的采用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的帶有以太網(wǎng)通信接口的全新門(mén)禁控制器架構(gòu)，其CPU采用基于ARM7TDMI內(nèi)核的三星S3C44B0X，以u(píng)CLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)及交叉編譯。由于網(wǎng)絡(luò)在門(mén)禁系統(tǒng)及整個(gè)數(shù)字安防系統(tǒng)中起到越來(lái)越重要的作用，因此本文重點(diǎn)論述嵌入式智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)通信接口的開(kāi)發(fā)。與目前的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)相比，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)是一種低成本、高性能的控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。以太網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，將極大地促進(jìn)信息從傳感器到管理層的集成[1]。
2 智能門(mén)禁控制器的總體設(shè)計(jì)
智能門(mén)禁控制系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、讀卡器、電鎖、門(mén)磁、識(shí)別卡和出門(mén)按鈕等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 門(mén)禁控制系統(tǒng)示意圖
門(mén)禁控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是：(1)從控制中心即上位機(jī)經(jīng)通信接口向控制器傳輸事先設(shè)置好的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如使用人員信息、出/入門(mén)方式等，完成系統(tǒng)初始化工作；(2)通常情況下門(mén)禁控制器處于等待狀態(tài)，當(dāng)有人刷卡時(shí)讀卡器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Wiegand接口將卡號(hào)傳輸?shù)介T(mén)禁控制器，控制器中采集數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序?qū)?dāng)前卡號(hào)、卡片狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)間、控制模式等信息與初始化信息進(jìn)行比較，得出準(zhǔn)許與否的結(jié)果，該結(jié)果又被送到讀卡器中，向讀卡人發(fā)出聲光指示[2]。(3)當(dāng)比較結(jié)果為準(zhǔn)許時(shí)，控制器通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電控鎖使之退出鎖門(mén)狀態(tài)。
依據(jù)以上工作過(guò)程設(shè)計(jì)出的門(mén)禁控制器總體框架如圖2所示。
圖2 門(mén)禁控制器總體結(jié)構(gòu)
3 智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)接口硬件電路
本文采用由S3C44B0X和RTL8019AS組成的智能門(mén)禁控制器以太網(wǎng)接口方案。
作為一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)控制器，基于S3C44B0X處理器的系統(tǒng)必須要有以太網(wǎng)接口電路才能發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特長(zhǎng)。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(physical layer, PHY)組成。S3C44B0X片內(nèi)已有帶MII(media independent interface)接口的MAC控制器，故只需再外接一片物理層芯片，以提供以太網(wǎng)的接入通道。這里選擇Realted公司生產(chǎn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS。此芯片支持IEEE802.3；支持8bit或16bit數(shù)據(jù)總線；內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖；全雙工，收發(fā)同時(shí)達(dá)到10Mb/s；支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì)。數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗(yàn)，總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測(cè)與避免是由RTL8019AS自己完成的。設(shè)計(jì)出的以太網(wǎng)接口電路圖如圖3所示。
圖3 以太網(wǎng)接口電路
信號(hào)的發(fā)送和接收端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器FC-518LS和RJ45接口接入RTL8019AS，RTL8019AS也帶有MII接口，可通過(guò)次接口再與S3C44B0X所帶MII接口相連，從而組成了以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)挠布ǖ馈?/div>
4 智能門(mén)禁控制器的以太網(wǎng)接口軟件
網(wǎng)絡(luò)通信的本質(zhì)是進(jìn)程間的通信。套接口地址的格式是一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)，套接口是進(jìn)程間通信的端點(diǎn)，每個(gè)套接口的名字都是唯一的，所以依靠套接口來(lái)確定整個(gè)Internet域中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程[2]。當(dāng)服務(wù)器和應(yīng)用程序需要和其他進(jìn)程通信時(shí)就需創(chuàng)建套接口[3]。TCP和UDP是傳輸層協(xié)議，TCP是保證傳輸?shù)拿嫦蜻B接的協(xié)議，而UDP是無(wú)連接協(xié)議，不能保證消息傳送到目的地。本設(shè)計(jì)選擇TCP協(xié)議，運(yùn)用套接口編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端、客戶(hù)端之間的通信。服務(wù)器端軟件運(yùn)行在裝有uCLinux內(nèi)核的ARM開(kāi)發(fā)板上，客戶(hù)端可以是Linux或Windows操作系統(tǒng)下的瀏覽器，也可以是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的基于TCP/IP協(xié)議的客戶(hù)端軟件。
本文以門(mén)禁控制系統(tǒng)的讀卡器讀卡事件為例，，說(shuō)明 Linux環(huán)境下服務(wù)器端軟件的開(kāi)發(fā)。
Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立包括：制作Windows 和 Linux雙啟動(dòng)系統(tǒng)；給S3C44B0X燒寫(xiě)B(tài)ootLoader程序blob.bin，燒寫(xiě)uCLinux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)映像文件；對(duì)宿主機(jī)進(jìn)行安全級(jí)別設(shè)置等步驟。在開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建完畢的情況下編寫(xiě)服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信程序，流程如圖4所示。
圖4 主程序流程
為編寫(xiě)好的服務(wù)器端程序編寫(xiě)Makefile文件，然后在Linux終端下調(diào)用make命令，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)Makefile文件所定義的規(guī)則最終生成可執(zhí)行文件。再進(jìn)入minicom環(huán)境，重啟開(kāi)發(fā)板，進(jìn)入指令輸入狀態(tài)。調(diào)用mount指令掛載宿主機(jī)上可執(zhí)行文件所在的目錄到uCLinux的/host目錄，掛載成功后就可將/host
下的可執(zhí)行文件用cp命令拷貝到/mnt/yaffs目錄下，這樣uCLinux一啟動(dòng)就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行該程序。程序運(yùn)行到調(diào)用完accept函數(shù)會(huì)阻塞在此處，直到有客戶(hù)端的接入。
5 以太網(wǎng)通信測(cè)試
為了驗(yàn)證以上服務(wù)器端程序，用 VC++開(kāi)發(fā)了Windows平臺(tái)上的基于TCP/IP協(xié)議的客戶(hù)端程序，通過(guò)該客戶(hù)端模擬用戶(hù)刷卡等事件，可與uCLinux平臺(tái)上的服務(wù)器端程序通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。測(cè)試結(jié)果表明，通信正常，程序反應(yīng)速度較快，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真測(cè)試如圖5所示。
圖5 仿真測(cè)試
6 結(jié)束語(yǔ)
本文以Linux 嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，同時(shí)以嵌入式uCLinux作為板子的操作系統(tǒng)并運(yùn)行在ARM硬件平臺(tái)上。測(cè)試與評(píng)估表明，本設(shè)計(jì)符合高級(jí)智能型門(mén)禁控制器的軟、硬件需求，具有良好的可裁減性、可擴(kuò)展性，在未來(lái)的發(fā)展中必將贏得廣闊的發(fā)展空間。
以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)解決了門(mén)禁系統(tǒng)采用RS485傳輸信號(hào)速率較慢的問(wèn)題，更重要的是它還符合網(wǎng)絡(luò)扁平化的發(fā)展趨勢(shì)，即做到了不使用任何網(wǎng)關(guān)就能將控制器網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫地集成在一起，統(tǒng)一到一個(gè)都使用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之中。數(shù)字安防系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是一體化集成，該接口的實(shí)現(xiàn)為一體化集成提供了有力的途徑，將會(huì)促進(jìn)數(shù)字安防系統(tǒng)的快速發(fā)展。
作者簡(jiǎn)介：杜明芳(1976-)，女，碩士、講師，主研方向：分布式控制系統(tǒng)，智能信息處理
參考文獻(xiàn)
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4 Wall K. GNU/Linux編程指南[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002
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