基于ARM的智能门禁系统设计.docx
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基于ARM的智能门禁系统设计
摘要
门禁系统作为安防系统中的一个重要部份，随着人们的生活水平和工作的质量的提升，其技术要求也取得了相应的提升。
同时在楼宇自动化中门禁系统也得了很多的重视。
它以运算机技术为主体，涉及了电子、机械、光学、通信技术、生物技术等多种技术用来有效的对出入口进行操纵，而且限制出入人员的权限。
运算机系统通过门禁锁实现对出入口的操纵，而最多只需要一个人在中心监控室实现有必要的人为操纵。
本课题确实是以ARM为主操纵器，将嵌入式技术和射频识别技术应用到门禁系统中，利用嵌入式系统丰硕的操纵器资源、对实时多任务有很强的支持能力、可扩展的处置器结构方便以后功能的完善，同时射频技术来检测IC卡，通行的人用IC卡来取得进入的权限。
关键字：
门禁系统，嵌入式技术，身份识别技术
ABSTRACT
Accesscontrolsystemasanimportantpartofthesecuritysystem,withtheenhancementofpeople'slivingstandardsandthequalityofwork,technicalrequirementshasalsobeenacorrespondingincrease.Accesscontrolsystemsinbuildingautomationalsogotalotofattention.Computertechnologyasthemainbodyinvolvedintheelectronic,mechanical,optical,communicationstechnology,biotechnologyandothertechnologiesusedtocontroltheimportandexport,andtolimitaccesspermissions.Computersystemtocontroltheimportandexportthroughaccesscontrollockuponlyonepersoninacentralcontrolroomtoachievethenecessaryhumancontrol.Thesubjectisthecontroller,ARM-basedembeddedtechnologyandradiofrequencyidentificationtechnologytotheaccesscontrolsystem,embeddedsystemcontroller,astrongabilitytosupportreal-timemulti-tasking,scalableprocessorsstructuretofacilitatefutureimprovethefunctionoftheradiofrequencytechnologytodetectICcard,ICcardaccesstogetpermissiontoenter.
Keywords:
Accesscontrolsystem，embeddedtechnology，IDtechnology
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
课题背景和意义1
门禁系统的进展和国内外现状1
论文研究的内容和工作2
第二章门禁系统技术的介绍4
RFID射频识别技术的介绍4
基于ARM平台的嵌入式系统的介绍5
ARM技术的介绍5
嵌入式系统概述6
第三章整体设计和软硬件平台的选择9
系统整体设计9
硬件平台的选择9
S3c6410芯片介绍9
MFRC500射频读写芯片11
软件平台的选择13
选择Linux操作系统的理由14
bootloader的选择15
文件系统的选择16
第四章系统详细设计与实施18
嵌入式Linux开发环境的搭建18
主机开发环境的搭建和系统的移植18
搭建主机的开发环境18
U-boot的编译18
内核的定制19
文件系统的制作22
第五章应用软件的设计24
软件设计的整体思路24
通过协议编写程序26
结论28
参考文献29
附录30
致谢60
第一章绪论
课题背景和意义
在科技、社会经济飞速进展的现今，城市的面貌发生了极大的转变，林立的大厦、众多成片小区的显现的同时也产生了很多的平安隐患，非法分子利用高科技手腕犯法的行为也慢慢多了起来，怎么让人们利用现代科技手腕为自己的人身财产平安保驾护航，同时有效的阻止犯法行为呢？
传统的门锁和防盗门已经不能知足人们的需求了。
在现代化的城市地域，为树立公司、大厦或机关办公场所标准化治理形象，提高治理，智能门禁系统就在这些情形下应运而生，它的显现让以前单一的让保安看管的形式变得多样化，在高级办公区，能够智能门卡能够替代门锁的作用让人和人有不同的通过权限，被授权的持卡人能够进入其职责范围内的区域，同时可将不受欢迎的人员拒之门外，例如业务推销员，这些干扰正常办公秩序的无关人等。
所有进出入情形在电脑里面都有记录，便于针对具体情形的发生进行查询，责任落实。
传统的机械门只能防范一样的的盗窃犯法行为，不管材料是何等的牢固，设计如何合理，人们想打开仍是能够打开的，而且钥匙的治理是很麻烦的，钥匙掉了的话需要把锁和钥匙一路改换。
为了解决出入方便这一系列的问题，智能门禁系统的进展变得快速，应用范围也愈来愈宽广。
门禁系统的进展和国内外现状
门禁系统，又被称作出入口操纵系统，顾名思义确实是对出入口通道进行管制的系统，通过治理来决定哪些人该进，哪些人不该进，在何种情形下发出警报，经历出入的情形，从而保障出入平安的目的。
智能门禁系统是一种综合性的多学科的高科技集合，它涉及电子、机械、光学、计算技术、通信技术、生物统计学等诸多新技术领域。
门禁系统显现的首要目的确实是身份的识别，门禁系统通过识别方式能够分成三种：
密码识别
通过输入验证密码的正确性来获取进入权限，有本钱低操作简单，用户只需要记住密码即可完成与门禁的互动，无需带上卡片等优势，能够说这是最简单的门禁设备，也是应历时刻最久的门禁操纵设备，可是这种门禁的平安性和效率也是最低的，旁人能够通过观看或其他简单的渠道就能够够获取大门的操纵密码，而且由于明白密码的人众多，因此还存在着易公布可是不方便改换的特点。
卡片识别
通过读卡或读卡加密码的形式来识别进入权限，按卡片种类又可分为
磁卡：
有本钱较低；一人一卡（+密码），平安一样，可联微机，记录开门信息的优势；缺点确实是卡片设备很容易磨损，寿命较短；卡片容易复制；同时很难双向操纵。
因外界磁场很容易造成卡片信息丢失，从而使卡片无效。
射频卡：
优势确实是无需和设备接触，开门方便平安；利用寿命长，有很高的平安性，能够与微机相连，记录开门的信息；双向操纵能够很容易实现。
卡片很难被复制。
尽管本钱较高，可是这是应用范围最为普遍的了。
生物识别
通过查验人员的生物特性的方式来识别，有指纹型、虹膜型、掌形型、脸部识别型，还有手指静脉识别型等。
这种方式具有专门好的平安性，需进入的人不用携带卡片，可是带来了很高的本钱开销的代价，识别率是基于必然软件算法的因此很有可能不高，同时对利用者的生物特性的要求较高，若是是指纹识别，就无法识别划伤的指纹，若是是虹膜识别，眼睛红肿出血也会显现无法识别的成效。
同时对环境的要求也很高，例如在黑夜的时候人的瞳孔会变大，虹膜识别很有可能失去原有的功能。
综合起来利用生物设别在必然条件并非方便。
中国门禁行业的进展历程，也与国内其它行业一样经历了探讨、仿造、研发、成熟等几个时期。
从最先的单门门禁开始，随着房地产业进展规模的疯狂扩张，高级社区及商务楼关于门禁系统平安性能要求的不断提高，门禁产品经历了由独立型门禁系统、联网型门禁系统、一卡通门禁系统、TCP/IP网络型门禁系统的演变。
在国外的门禁系统有很多品牌，要紧有美国的休斯（HID）、摩托罗拉（MOTOROLA）、英国的集宝，以色列的SE、西屋（WSE）、洛泰克（NTK）等品牌，国内门禁系统的品牌要紧有清华紫光和捷顺等。
在技术上面智能门禁系统相关于传统的门禁系统来讲应用了更多的防范方法，这些方法涉及并综合了众多的高科技技术，其中包括光学、电子、通信技术、运算机技术、乃至生物科学等诸多领域。
国内外目前研制和利用要紧集中的门禁系统为感应门禁系统和生物识别门禁系统。
作为安防领域和楼宇设计的基础平台，随着人们生活水平的提高，工作质量的要求，门禁系统也会取得加倍长足的进展，比如对门禁系统的平安性、稳固性方面的要求会更高，门禁系统也将会同安防领域一道实现“联网”机制，更有效的防治违法行为的显现。
智能小区的推行和智能小区的平安防范的增强，使智能门禁系统的网络化成为可能。
论文研究的内容和工作
本课题的研究目的是设计和实现具有良好的扩展性和适应性的门禁系统。
因此该系统以射频门禁读卡器和嵌入式移植为核心，提出软件设计的详细方案，并给出射频门禁卡、门禁操纵器的相关介绍和设计的整体思路和具体实现方式。
该系统中门禁读卡器的要紧任务是操纵射频模块来同意读取门禁识别卡上面的信息，而且对该卡进行识别和解码，将获取的信息再显示出来。
同时在门禁主操纵端要进行Linux的移植工作，其中包括U-boot、内核的制定和裁剪、文件系统的制作。
而且研究嵌入式系统开发的方式和Linux驱动程序的设计方式。
第二章门禁系统技术的介绍
RFID射频识别技术的介绍
自动识别技术是一种自动搜集数据的技术，用搜集相关的人或物的信息或数据，射频识别技术是众多自动识别技术中的一种。
RFID技术最多见的应用确实是通过一个识别号码（类似姓名）来惟一地识别一个物体、地址、动物或人。
那个号码存储在附属天线集成电路中，IC和天线一路被称为电子标签，电子标签附属于要识别的物体、地址或人。
射频识别（英文：
RadioFrequencyIDentification，缩写：
RFID）是一种无线通信技术，能够通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间成立机械或光学接触。
无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传出去，以自动辨识与追踪该物品。
某些标签在识别时从识别器发出的电磁场就能够够取得能量，并非需要电池；也有标签本身拥有电源，并能够主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。
标签包括了电子存储的信息，数米之内都能够识别。
与条形码不同的是射频标签不需要处在识别器视线之内，也能够嵌入被追踪物体之内。
RFID系统一样是由电子标签和读写器组成，同时结合许多其他组件在现实生活中也显现过，例如运算机、软件系统、无线设备和网络。
所有这些组件和电子标签和读写器一起工作，组成了完整解决方案。
典型的RFID系统由以下两部份组成:
1）电子标签，即携带数据的发射器（如标签）。
位于要设别的目标表面或内部，一样由两个部件（如线圈或微波天线）和一个电子芯片组成。
依照利用的电源能够把标签分为主动标签、半被动标签和被动标签，还能够个依照其编码的数据进行进一步分为只读、读/写和读/写/重写。
大多数标签比一粒沙子还小（即宽度小于3mm），一样内部封有一个玻璃或塑料的模块。
2）读写器，即读取电子标签的数据和写入数据到电子标签的收发器（或阅读器）。
许多读写都额外的接口，能够把收到的数据传送给另一个系统，如个人运算机或自动操纵系统。
RFID技术的最大优势确实是减少了人工干与，能够在商业活动进行的进程中自动搜集数据，且搜集数据不需要贴别的动作。
这种自动操作提高了数据质量，减少了数据搜集的时刻，具有实时地获取数据和降低在低质量数据上的开销的特点。
因为无需打开物品包装盒就能够够扫描货物来搜集数据，RFID还节约时刻和降低本钱的益处。
另外，它还能够实时获取详细的目录信息和实时监测货物清单。
RFID技术普遍应用于供给物流链治理、公共治理、人员治理、门禁操纵、交通领域、生产领域中。
基于ARM平台的嵌入式系统的介绍
ARM技术的介绍
ARM公司是微处置器行业的一家知名企业，专门从事的是基于RISC技术芯片设计开发。
作为知识产权供给商，ARM公司不直接从事芯片生产，而是转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处置器内核，依照各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处置器芯片进入市场。
目前，采纳ARM技术知识产权（IP）核的处置器已遍及及工业操纵、消费类电子产品、通信系统、网络系统和无线电系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处置器应用约占据了32位RISC微处置器的大部份市场份额，ARM技术正慢慢渗入到咱们生活的方方面面。
ARM微处置器采纳RISC构架，一样具有如下特点：
1）体积小、低功耗、低本钱、高性能；
2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能专门好地兼容8位/16位器件；
3）大量利用寄放器。
指令执行速度更快；
4）大多数数据操作都在寄放器中完成；
5）寻址方式灵活简单，执行效率高；
6）指令长度固定；
除上述特点之外，ARM体系结构还采纳了下面一些专门的技术，在保证高性能的前提下尽可能缩小芯片的面积，并降低功耗：
1）所有的指令都可依照前面的执行结果决定是不是被执行，从而提高指令的执行效率；
2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；
3）可在一条数据处置指令中间同时完成逻辑处置和移位处置；
4）在循环处置中利用地址的自动增减来提高运行效率；
到目前为止ARM微处置器及技术的应用几乎已经深切到以下的许多领域:
1）工业操纵领域:
作为32的RISC架构基于ARM核的微操纵器芯片不但占据了高端微操纵器市场的大部份市场份额同时也慢慢向低端微操纵器应用领域扩展,ARM微操纵器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微操纵器提出了挑战。
2）无线通信领域目前已有超过85%的无线通信设备采纳了ARM技术，ARM以其高性能和低本钱，在该领域的地位日趋巩固。
3）网络应用：
随着宽带技术的推行，采纳ARM技术的ADSL芯片正慢慢取得竞争优势。
另外，在语音及视频处置上行了优化并取得普遍支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
4）消费类电子产品：
技术在目前流行的数字音频播放器数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5）成像和平安产品：
此刻流行的数码相机和打印机中绝大部份采纳ARM技术。
电话中的32位SIM智能卡也采纳了ARM技术。
除此之外，ARM微处置器及技术还应用到许多不同的领域并会在以后取得加倍普遍的应用。
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嵌入式系统概述
嵌入式系统是基于运算机、电子和信息技术，以产品和设备为目标，集硬件和软件于一体的专用系统。
具有集成度高，实时响应速度快、保护和扩展方便和升级换代快等特点，普遍应用于实时性强和系统对功能、靠得住性、功耗等技术指标严格要求的多任务体系。
它一样由嵌入式微处置器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序几个部份组成，用于实现对其他设别的操纵、监控和或治理等功能。
随着嵌入式系统的进展，关于功能不断增强、应用范围日趋广漠的嵌入式硬件，植入与之匹配的嵌入式操作系统，并依如实际需要合理剪裁系统软、硬组件，既能充分发挥系统功能，有效提高系统利用率，又能节省存储空间，有利于操作系统的移植和效率的提高。
由于嵌入式系统是一种专用的运算机系统，因此嵌入式系统的体系结构也和PC的体系结构类似，要紧包括硬件、操作系统和应用程序三部份。
如以下图
图嵌入式体系结构图
1）硬件
嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处置器。
在PC中，CPU的体系结构几乎是x86系列的天下。
可是在嵌入式处置器领域，目前市面市面上流行的有上百种体系结构和品牌的CPU。
其中ARM、PowerPC、MIPS等应用最为普遍。
在处置器方面，嵌入式系统一样利用SDRAM作为内存，Flash作为外村。
显然，嵌入式存储器的性能和容量是远远比不上PC中的DDR内存和硬盘的。
下面给出嵌入式系统的硬件组成图
图嵌入式系统硬件组成图
2）操作系统
和嵌入式处置器类似，嵌入式操作系统的类型也比PC要丰硕很多。
嵌入式操作系统用来治理中断处置、任务间通信、存储器分派和按时器的相应的软件模块集合，对其要求通常有实时的作用，因此，嵌入式操作系统往往又是实时操作系统。
嵌入式操作系统中的美国河风公司的Vxworks、微软的WindowsCE都有功能壮大，优越的性能，可是都是商业软件。
而免费开源的Linux嵌入式操作系统，在功能上和性能上并非逊色于以上的商业软件，因此在嵌入式领域有着壮大的生命力和进展前景。
3）应用程序
应用程序是执行系统功能要紧的软件，是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，同时需要完成用户指定的预期任务的运算机软件。
它能够由一个任务来完成也能够由多个任务一起完成。
嵌入式软件的特点如下
1）系统软件的高实时性是其大体的要求
2）多任务的实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需条件
3）要求对软件实现固态化存储，因为一样完成设计的软件程序都需要打包然后放在操作系统中，需要时就运行应用程序，一般不允许对其软件程序进行修改。
4）对代码的要求高质量、高靠得住性。
第三章整体设计和软硬件平台的选择
系统整体设计
该设计是一个单一的门禁操纵系统，要紧实现的是软件操纵部份的功能其系统组成的结构如以下图。
图系统设计框图
其中门禁操纵器和门禁读卡器将会是该门禁系统的核心部份，读卡器读取射频门禁卡上面的数据，而且对这些数据进行解码分析，然后将卡的信息通过USB发送给门禁操纵器，门禁操纵器再做相应的动作，实现门禁操纵的功能。
本设计采纳的是上、下位机分离的双CPU结构，下位机MCU通过USBSlave端口与上位机ARMUSBHost端口通信，上位机运行的是ARM-Linux操作系统。
本文的要紧任务是USB转串口驱动的移植和射频读卡器应用程序的编写。
硬件平台的选择
本课题设计中的硬件部份主若是由三部份组成：
门禁操纵器、读卡器、射频门禁卡。
其中门禁操纵器采纳了S3C6410处置器芯片，门禁操纵器外接基于STC12C5A60S2单片机的射频读卡器，通过USB接口连接。
S3c6410芯片介绍
S3c6410是一个16/32位RISC微处置器，该处置器旨在为移动行业及一样领域的应用提供一种具有本钱效益、功耗低、性能高的解决方案。
它为和3G通信效劳提供优化的硬件性能。
S3c6410才用64/32位内部总线架构，由AXI、AHB和APB总线组成。
它还包括许多壮大的硬件加速器，并轻松支持像视频处置，音频处置，二维图形，显示操作和缩放的任务。
内部集成的一个多格式编码器支持MPEG4/编解码和VCI格式的解码，同时那个硬件解码器支持实时视频会议和NTSC、PAL模式的TV输出。
具有一个三维图形硬件加速器（简称3D引擎），能够加速OpenGL&。
3c6410结构框图如以下图：
图S3c6410结构框图
S3c6410处置器特性要紧如下：
●基于CPU子系统的ARM1176JZF-S具有Java加速引擎，16KB/16KBI/D缓存和16KB/16KBI/DTCM；
●在V时达533MHz，V时达677MHz；
●一个8位ITU601/656相机接口，支持4M像素（缩放）或16M像素（未缩放）；
●多标准解码器提供30帧每秒MPEG-4/编解码及30帧每秒的VC1视频解码；
●具有BITBLIT和旋转的2D图形加速；
●3D图形加速在133MHz时可达4M的三角形运算能力；
●AC97音频编解码接口和PCM串行音频接口；
●支持1,2,4或8像素/位调色彩色显示及16像素/位无调色真彩显示；
●IIS和IIC接口支持；
●专用的IrDA接口支持MIR、FIR及SIR；
●灵活配置的GPIO端口；
●OTG端口支持高速传输（480Mbps，片上收发器）；
●端口主设备支持全速传输（12Mbps，片上收发器）；
●SD/MMC/SDIO/CE-ATA兼容卡主操纵器；
●实不时钟，锁相环，具有PWM的按时器和看门狗按时器；
●32通道DMA操纵器；
●支持8X8键盘矩阵；
●先进电源的治理适用于电话应用；
●存储器子系统
支持8位或16位数据总线的SRAM/ROM/NORFlash接口；
支持16位数据总线的混合式OneNAND闪存接口；
支持8位数据总线的NANDFlash接口；
支持32位数据总线的SDRAM接口；
支持32位数据总线的移动SDRAM接口；
支持32位数据总线的移动DDR接口；
MFRC500射频读写芯片
Philips公司的MIFARE非接触式智能标签在非接触标签应用领域占有全世界80%的市场份额，是目前非接触智能标签的工业标准，也成为ISO/IEC的工作草案。
在MIFARE这一作为工业标准的技术平台基础上生产出来的3000万张智能标签及10亿多次交易覆盖全世界众多领域。
随着其应用范围的不断扩大，如公共交通、路桥收费、电子机票、身份证、付费等，再加上应用装置的增加，与MIFARE相关的行业取得了长足的进展。
MFRC500作为Philips公司的一款高度集成的读写器芯片，工作于。
该读卡IC系列利用先进的调制和解调概念，完全集成在下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。
工作的天线能够被直接近距离驱动（可达100mm）通过内部的发送部份，而不需要增加有源电路，一个牢固的解调和解码电路组成了接收器分，用于ISO/IEC14443兼容的应答器信号；数字部份处置ISO/IEC帧和错误检测（奇偶校验和CRC）。
另外，还支持用于验证MIGARE系列产品的快速CRYPTO1加密算法。
MFRC500可方便地用于各类基于ISO/IEC14443-1标准而且要求低本钱、小尺寸、高性能和单电源的非接触式通信的场合。
MFRC500的功能框图图以下图所示。
图MFRC500功能框图
由图可知，MFRC500内部包括并行微操纵接口、状态和操纵单元、中断、数据处置单元、双向FIFO缓冲区、平安和密码操纵单元、模拟电路接口及天线接口。
MFRC500的外部接口包括数据总线、地址总线、操纵总线（包括中断和读写信号等）和电源等。
MFRC500的并行微操纵器接口自动检测连接的8位并行接口的类型，它包括一个可配置的中断输出和一个易用的双向FIFO缓冲区，为连接各类MCU提供了专门大的灵活性，即便采纳的器件的本钱是超级低的也能知足高速非接触式通信的要求。
数据处置部份执行数据的串行/并行转换。
支持的校验包括CRC和奇偶校验。
MFRC500以完全透明的模式进行操作，因此支持ISO/IEC的所有层。
状态和操纵部份许诺对器件进行配置以适应环境的阻碍，并将把性能调剂到最正确状态。
当与MIFAREStandard和MIFARE通信时，利用高速CRYPTO1流密码单元和一个靠得住的非易失性密钥存储器。
模拟电路包括一个具有阻抗超级低的桥驱动器输出的发送部份，这使得最大操作距离可达100mm。
接收器能够检测到并解码超级弱的应答信号。
MFRC500引脚排列如以下图：
图MFRC500引脚排列图
该器件为32引脚外形封装（SmallOutlinePackage，SOP）
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