基于Bluetooth的智能門禁終端設(shè)計(jì)

狄 婧

(長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130032)

基于Bluetooth的智能門禁終端設(shè)計(jì)

狄 婧

(長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130032)

作為智能家居和智能樓宇的排頭兵，智能門禁對(duì)于加強(qiáng)人員管理和安全防范等具有重要作用。本文采用Bluetooth(藍(lán)牙)4.0無線技術(shù)設(shè)計(jì)一種高可靠性、高效便捷的智能門禁終端，完成語音、數(shù)據(jù)同傳和處理，給出了詳細(xì)的硬件描述。通過以太網(wǎng)接口可有機(jī)接入智能家居或智能樓宇系統(tǒng)，操作簡單、成本低。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明終端穩(wěn)定可靠，能有效對(duì)門禁進(jìn)行控制。

智能家居；Bluetooth；DSP；門禁

隨著Bluetooth無線技術(shù)逐漸成為便攜式智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，炙手可熱的智能家居產(chǎn)品大范圍普及[1]。具備智能化的大門作為家居的第一道“防線”，其重要位置不言而喻，智能門鎖應(yīng)運(yùn)而生[2]。傳統(tǒng)的鎖具不能進(jìn)行交互，導(dǎo)致其應(yīng)用受到了很大的限制。隨著藍(lán)牙技術(shù)的成熟應(yīng)用[3]，采用Bluetooth 4.0無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效便捷門鎖，且通過相應(yīng)軟件系統(tǒng)和智能家居或樓宇系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行交互。將試圖開啟智能門鎖的用戶數(shù)據(jù)、語音等多種信息采集并傳輸?shù)街悄芗揖踊驑怯羁刂乒芾硐到y(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居、智能樓宇等集中安全管理。

1 Bluetooth技術(shù)簡介

Bluetooth 技術(shù)最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發(fā)。它采用的是調(diào)頻技術(shù)(Frequency-hipping Spread Spectrum)，頻段范圍是2.402～2.480GHz[1]。其顯著優(yōu)勢(shì)在于低功耗、短距離實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備雙向無線通訊。在藍(lán)牙通信中，不要求固定的基礎(chǔ)設(shè)施，只需通過配有藍(lán)牙技術(shù)的電子產(chǎn)品(安裝Bluetooth芯片上的無線收發(fā)器)，自動(dòng)檢查可用的配置文件，將其連接至使用同一配置文件的另一Bluetooth 設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)在約十米的距離內(nèi)彼此相通，傳輸速度可以達(dá)到每秒鐘1MB。

藍(lán)牙設(shè)備有兩種可能的角色，分別為主設(shè)備和從設(shè)備，同一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以在這兩種角色之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。一個(gè)藍(lán)牙主設(shè)備可以最多同時(shí)和7個(gè)從設(shè)備通信。在任意時(shí)刻，主設(shè)備單元可以向從設(shè)備單元中的任意一個(gè)發(fā)送信息，也可以用廣播方式同時(shí)向多個(gè)從設(shè)備發(fā)送信息。與WIFI無線技術(shù)相比，Bluetooth 技術(shù)雖然在速度上略有不及，但卻更省電，更節(jié)省資源，更環(huán)保，對(duì)人體有害的電磁輻射的危害也要更小。藍(lán)牙技術(shù)是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)互聯(lián)的一個(gè)有效手段，因此得到了廣泛應(yīng)用[1,4-5]。

2 智能門禁終端總體設(shè)計(jì)

智能門禁終端是以數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320VC5402)為主控，包括語音采集和處理單元、以太網(wǎng)接口及藍(lán)牙無線接口等部分組成。其工作原理是智能門禁終端采用Bluetooth無線技術(shù)與用戶手機(jī)無縫鏈接，采集用戶信息；其它控制單元協(xié)助處理如語音采集及壓縮、數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換等，經(jīng)過DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果通過以太網(wǎng)協(xié)議棧封裝后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)街悄芗揖踊驑怯羁刂葡到y(tǒng)。其總體框架如圖1所示。

圖1 智能門禁終端框圖

TMS320VC5402是TI公司推出的性價(jià)比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，獨(dú)特的6總線哈佛結(jié)構(gòu)，使其6條流水線同時(shí)工作，工作頻率達(dá)到100MHz。VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I/O口(GeneralPurpose I/O，GPIO)外，還為用戶提供了多個(gè)可選的GPIO：HPI-8和McBSP。其主要特點(diǎn)有：(1)操作速率達(dá)100MIPS；低功耗，工作電源3.3V和內(nèi)核1.8V。(2)具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)(1條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線)。(3)40位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)，包括1個(gè)40位桶形移位寄存器和2個(gè)獨(dú)立的40位累加器；雙地址生成器，包括8個(gè)輔助寄存器和2個(gè)輔助寄存器算術(shù)運(yùn)算單元(ARAU)。(4)數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g1Mx16bit，內(nèi)存4Kx16bitROM和16Kx16bit雙存取RAM。(5)內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘發(fā)生器、2個(gè)多通道緩沖串行口、1個(gè)8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器。

終端采用并行Bootload的方法實(shí)現(xiàn)VC5402的引導(dǎo)裝載，首先將它的MP/MC管腳接低，然后通過LATTICE公司的CPLD芯片M4A3-192設(shè)計(jì)組合邏輯實(shí)現(xiàn)FLASH芯片SST39VF400A的片選和數(shù)據(jù)線方向控制。并利用Flash存儲(chǔ)器燒寫程序?qū)⒁龑?dǎo)表寫入從地址單元8000H開始的Flash，將引導(dǎo)表的首地址8000H寫入Flash存儲(chǔ)器的FFFFH單元。在芯片加電復(fù)位時(shí)，程序就從內(nèi)部ROM的FF80H地址開始運(yùn)行。在FF80H處，有一條跳轉(zhuǎn)到BOOT程序的指令，執(zhí)行內(nèi)部固化好的BOOT程序，從而實(shí)現(xiàn)并行引導(dǎo)裝載。

3 Bluetooth接口模塊設(shè)計(jì)

無線門禁終端藍(lán)牙模塊采用挪威Nordic VLSI公司(北歐集成電路公司) 推出的超低功率Blue nRF8001芯片，其峰值電流僅為12.5 mA，在連接狀態(tài)的平均電流不到12μA，用一個(gè)鈕扣電池供電時(shí)電池使用壽命可達(dá)幾年。采用nRF8001的另一個(gè)重要特點(diǎn)是緊湊的32引腳 QFN封裝，尺寸僅為5×5mm。它把射頻通信、鏈路層和主機(jī)都納入一個(gè)EPL列表，還集成了一個(gè)獨(dú)特的32kHz高精度RC振蕩器，大大降低了外圍器件成本，是完整的Bluetooth 4.0版本低功耗芯片。nRF8001藍(lán)牙芯片內(nèi)部集成了藍(lán)牙低能耗的物理層接口和協(xié)議引擎、應(yīng)用控制器接口(ACI-Application Controller Interface)以及輔助的藍(lán)牙低能耗模擬子系統(tǒng)，如功率管理和晶振等。其內(nèi)部框圖如圖2所示。

圖2 nRF8001內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

nRF8001包含一個(gè)電源電壓監(jiān)視器和一個(gè)溫度傳感器，它們可通過應(yīng)用控制器接口(ACI)，也即SPI接口進(jìn)行訪問。此外，nRF8001提供一個(gè)獨(dú)立的串行接口(UART)用來進(jìn)入藍(lán)牙低功耗直接測(cè)試模式(DTM-Direct Test Mode)，該接口主要用來控制藍(lán)牙低功耗射頻(RF PHY)，以及方便與藍(lán)牙質(zhì)量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行接口，而且該接口可用來測(cè)試藍(lán)牙性能和優(yōu)化天線。nRF8001提供應(yīng)用控制器接口(ACI)與主控DSP連接，nRF8001與TMS320VC5402的連接原理如圖3所示。

圖3 nRF8001與主控連接示意圖

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能門禁終端是一種基于Bluetooth4.0技術(shù)的新型門鎖設(shè)備，適用于智能家居或樓宇自動(dòng)化管理系統(tǒng)。設(shè)備使用簡單、接口豐富、成本低?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該終端運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、語音實(shí)時(shí)傳輸，在智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]司鵬搏,胡亞輝,程源,等.藍(lán)牙技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2]常崢斌.高校圖書館智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

[3]李秀娟,明恩.應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,41(5):165-167.

[4]Kauh L. Development of a multipistion temperature telemetry system using bluetooth networks[J]. Journal of Automobile Engineering,2009,220(2):127-138.

[5]任小洪,傅成華,胡科.基于藍(lán)牙技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2009,28(1):16-19.

Design of Intelligent Sub-station Based on EoVDSL in Coal Mine

DI Jing

(Network Center of Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032,China)

As an essensial part of intelligent home and building, intelligent access control devices play an important role to improve the management of persons and security. Using Bluetooth 4.0 wireless technology, this paper presents a highy reliable, efficient and convenient smart access control module which can transmit and process data and voice. Also, the detail hardware design is given. The module can seamless interface to smart home or building systems throght ethernet, which has features such as simple operation and low cost. The practical results show that the module can run stably and effectively achieve the access control.

intelligent home; bluetooth; digital signal processor; access control

2014-04-10

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字2012第223號(hào))。

狄 婧(1981- )，女，吉林長春人，長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事嵌入式系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)控制研究。

TP274

A

2095-7602(2014)04-0044-03