ARM-Linux與Wi-Fi的移動智能終端門禁系統(tǒng)設(shè)計

趙思蕊,吳亞東，楊文超，蔣宏宇

(西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，綿陽 621010)

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趙思蕊,吳亞東，楊文超，蔣宏宇

(西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，綿陽 621010)

設(shè)計了一種基于嵌入式ARM-Linux平臺和Wi-Fi通信的移動智能終端門禁系統(tǒng),包括門禁裝置和用戶移動智能終端設(shè)備，其中門禁裝置采用S3C6410處理器，并以嵌入式Linux為軟件開發(fā)平臺。移動智能終端設(shè)備則作為用戶開門憑據(jù)，基于Android系統(tǒng)開發(fā)門禁APP，實現(xiàn)用戶身份認(rèn)證、注冊和開門功能。測試結(jié)果表明，與現(xiàn)有門禁系統(tǒng)相比，該設(shè)計在安全性、可操作性和成本上有明顯優(yōu)勢。

門禁系統(tǒng)；ARM-Linux；S3C6410；Wi-Fi；移動智能終端

引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對室內(nèi)人身財產(chǎn)安全要求越來越高，門禁系統(tǒng)作為智能建筑安防自動化體系中必不可少的一部分[1]，發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)前常見的門禁系統(tǒng)包括：密碼鎖門禁系統(tǒng)、感應(yīng)式IC卡門禁系統(tǒng)、基于電話短信方式的門禁系統(tǒng)以及生物特征識別門禁系統(tǒng)等。

隨著科技的不斷進步和人們生活水平的不斷提高，移動智能終端越來越普及，包括智能手機、平板電腦等。為此，本文研究設(shè)計了一種基于嵌入式ARM-Linux平臺，并將用戶已有的移動智能終端設(shè)備作為用戶身份憑證的無線Wi-Fi門禁系統(tǒng)。

1 門禁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

移動智能終端門禁系統(tǒng)主要由移動智能終端、門禁裝置、控制部件(電鎖)和PC終端組成。系統(tǒng)總體拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

圖1 門禁系統(tǒng)總體拓?fù)涫疽鈭D

根據(jù)門禁系統(tǒng)的實際需求，系統(tǒng)每個部分的構(gòu)成和功能略——編者注。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

門禁系統(tǒng)的硬件主要由門禁裝置構(gòu)成。門禁裝置硬件采用S3C6410核心板，外圍搭建相應(yīng)功能的模塊電路，包括無線Wi-Fi模塊、以太網(wǎng)模塊、繼電器控制模塊和門禁UPS電源模塊，外部接口主要有UART異步串口、10/100M網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 門禁系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1) S3C6410核心板

核心板采用三星公司S3C6410核心處理器，該處理器是一款基于ARM11內(nèi)核的低功耗、高性價比的RSIC處理器。

(2) 無線Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)的無線Wi-Fi模塊采用了騰達(dá)公司的150M高速無線USB網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡采用RT3070網(wǎng)卡芯片，其與核心板之間主要通過USB接口來實現(xiàn)協(xié)議和數(shù)據(jù)交換，無線Wi-Fi模塊的接口電路按照相關(guān)協(xié)議進行設(shè)計。

(3) UPS電源模塊

電源模塊是整個系統(tǒng)的能源動力機構(gòu)，所以良好的電源供給是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，本系統(tǒng)電源主要有12 V、5 V和3.3 V三種，為了使門禁裝置在意外掉電后仍能正常工作，針對門禁系統(tǒng)的前級12 V電源模塊采用UPS技術(shù)進行設(shè)計。其設(shè)計電路圖如圖3所示。

(4) 繼電器控制模塊

房門的控制信號是簡單的開關(guān)量信號，所以本系統(tǒng)采用控制器輸出I/O信號驅(qū)動繼電器實現(xiàn)開門。為保障房門不受單一I/O口信號的誤動作被打開，開門使能信號采用兩個I/O輸出不同電平(一高一低)，經(jīng)過同或門CD4077才能驅(qū)動硬件裝置板上的光耦隔離開關(guān)，從而控制電鎖開門。繼電器控制模塊電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由門禁裝置服務(wù)器軟件和用戶移動智能終端門禁APP兩個部分組成。其中門禁裝置服務(wù)器軟件平臺采用嵌入式Linux系統(tǒng)，內(nèi)核版本為3.0.1，具有體積小、效率高、網(wǎng)絡(luò)功能穩(wěn)定的特性，同時Linux平臺上很多開源軟件支持移植和二次開發(fā)。門禁裝置服務(wù)器軟件包括：無線Wi-Fi熱點的開發(fā)、門禁數(shù)據(jù)庫設(shè)計、后臺服務(wù)器程序設(shè)計以及門禁WEB數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計。而用戶移動智能終端軟件主要是基于Android系統(tǒng)的智能終端設(shè)備開發(fā)門禁應(yīng)用程序。

圖3 UPS電源模塊電路

圖4 繼電器控制模塊電路

3.1 無線Wi-Fi熱點開發(fā)

門禁裝置作為門禁系統(tǒng)的服務(wù)器，需要實現(xiàn)無線路由的基本功能，為客戶機移動智能終端提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)熱點。本系統(tǒng)開發(fā)的Wi-Fi熱點不受外部網(wǎng)絡(luò)的影響，采用無線USB網(wǎng)卡實現(xiàn)，讓無線網(wǎng)卡工作在Master模式下，使門禁裝置成為無線接入點AP，提供無線接入服務(wù)和路由功能。門禁裝置無線Wi-Fi熱點的開發(fā)主要包括：網(wǎng)卡驅(qū)動移植、網(wǎng)絡(luò)熱點認(rèn)證服務(wù)器軟件HOSTAP的移植、動態(tài)分配IP協(xié)議服務(wù)器軟件DHCP的移植，具體過程略——編者注。其中對應(yīng)的驅(qū)動源碼包都可利用網(wǎng)絡(luò)資源獲取。

3.2 門禁數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

3.2.1 移植嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3

圖5 門禁數(shù)據(jù)庫E-R圖

要在門禁Linux系統(tǒng)下建立門禁數(shù)據(jù)庫，需要嵌入式數(shù)據(jù)庫的支持。數(shù)據(jù)庫SQLite是一款基于嵌入式平臺開發(fā)的輕型數(shù)據(jù)庫，在很多嵌入式產(chǎn)品中都使用了SQLite數(shù)據(jù)庫。它占用資源非常少，在嵌入式設(shè)備中可能只需要幾百K的內(nèi)存就夠了[10],支持Windows/Linux/Unix等操作系統(tǒng)，并且能夠和很多程序語言相結(jié)合，比如TCL、C#、PHP、Java等；且有ODBC接口，比起MySQL、PostgreSQL這兩款數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它的處理速度更快[12]。本系統(tǒng)開發(fā)采用的是SQLite3數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 設(shè)計門禁數(shù)據(jù)庫

門禁數(shù)據(jù)庫主要是用來存儲門禁用戶基本信息、移動智能終端設(shè)備信息和門禁日志的，根據(jù)實際需求，在門禁數(shù)據(jù)庫中，對應(yīng)的實體有：用戶實體、移動智能終端設(shè)備實體、系統(tǒng)配置信息實體、日志實體。設(shè)計的門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的E-R圖如圖5所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫的需求分析和E-R圖，利用SQLIT3建立數(shù)據(jù)庫文件存儲門禁系統(tǒng)的基本信息，使用SQL語句建立4個表：用戶基本信息表、移動智能終端設(shè)備信息表、門禁系統(tǒng)功能信息表、門禁日志基本信息表。

3.3 門禁后臺服務(wù)器程序設(shè)計

門禁后臺服務(wù)器程序主要完成以下方面的功能：接受用戶移動智能終端設(shè)備的連接請求、獲取智能終端設(shè)備的MAC地址和MEID移動設(shè)備識別碼、獲取用戶發(fā)送的字符串信息(“動作命令#房門標(biāo)簽#設(shè)備MAC+MEID地址#設(shè)備類型”)、提取和分割字符串信息、進行數(shù)據(jù)庫查詢用戶權(quán)限信息、進行用戶設(shè)備注冊、寫門禁日志記錄和發(fā)送開門信號等。

本門禁系統(tǒng)后臺服務(wù)器程序的開發(fā)主要采用基于Linux系統(tǒng)C++的Socket網(wǎng)絡(luò)編程，服務(wù)器監(jiān)聽端口為5 000，由于門禁服務(wù)器在同一時刻需要接收多個客戶機的服務(wù)請求，所以采用Linux多線程編程技術(shù)解決多用戶、多任務(wù)的需求。門禁后臺服務(wù)器程序流程圖略——編者注。

3.4 門禁WEB數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

為了節(jié)約成本和降低系統(tǒng)功耗，門禁裝置沒有開發(fā)相應(yīng)的顯示器，而是在其ARM-Linux平臺上搭建WEB服務(wù)器，并編寫相應(yīng)的后臺網(wǎng)頁程序，這樣門禁管理員就可以通過PC瀏覽器接口對門禁數(shù)據(jù)庫進行有效的管理。

3.4.1 搭建WEB服務(wù)器

目前，在Linux系統(tǒng)中大多采用Apache服務(wù)器、PHP網(wǎng)頁編程和MySQL的組合方式來搭建WEB服務(wù)器，但由于Apache和MySQL本身運行占用的系統(tǒng)內(nèi)存和資源就很大[10]，而嵌入式ARM的存儲空間一般都是很有限的，所以這種組合方式不適用于本系統(tǒng)的WEB服務(wù)器搭建。因此選擇對系統(tǒng)資源要求較低且功能相當(dāng)?shù)腁PPWEB和SQLite3來代替Apache與MySQL，最終利用APPWEB、PHP5和SQLite3三者的組合構(gòu)建門禁裝置的WEB服務(wù)器。

3.4.2 開發(fā)門禁系統(tǒng)管理網(wǎng)站

為了方便門禁管理員管理門禁系統(tǒng)，采用PHP結(jié)合C++語言操作數(shù)據(jù)庫的方式，編寫相應(yīng)的動態(tài)網(wǎng)頁程序，其中包括門禁管理平臺的登錄網(wǎng)頁、用戶管理頁面、移動智能終端管理頁面、系統(tǒng)配置頁面以及管理人員的個人信息頁面、門禁日志頁面等。

3.5 Android移動智能終端門禁應(yīng)用程序設(shè)計

在門禁系統(tǒng)工作過程中，用戶的移動智能終端設(shè)備主要完成連接門禁裝置網(wǎng)絡(luò)熱點和向門禁服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的命令信息，實現(xiàn)注冊和完成開門操作。本系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)的移動智能終端設(shè)備開發(fā)了一個門禁APP應(yīng)用程序，在整個門禁系統(tǒng)的通信中，用戶的手機作為客戶機，通過使用Java語言結(jié)合網(wǎng)絡(luò)套接字編程來實現(xiàn)與門禁服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳遞。程序設(shè)計流程圖略——編者注。

4 系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)的設(shè)計思想，完成了門禁系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，門禁系統(tǒng)軟硬件略——編者注。

(1) 門禁Wi-Fi熱點測試

實際測試中，將筆記本電腦連接到門禁裝置Wi-Fi熱點，通過查看無線網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)可以得到無線網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量、網(wǎng)卡速度，通過Windows內(nèi)置的“Ping”命令可以測試無線網(wǎng)絡(luò)的速度。

在筆記本W(wǎng)indows的DOS下鍵入命令“Ping 192.168.1.10(門禁裝置服務(wù)器IP)”，通過“Ping”命令測試得到的無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)略——編者注。從圖中可以看出發(fā)送了4個數(shù)據(jù)包，接收到的也是4個數(shù)據(jù)包，所以數(shù)據(jù)丟失率為0%，數(shù)據(jù)包環(huán)繞航行(發(fā)送到接收再到確認(rèn))時間最多為6 ms，最少為1 ms，平均用時2 ms，說明網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量很好。

(2) 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為測試本門禁系統(tǒng)的實用性和穩(wěn)定性，將其在西南科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院部分實驗室投入使用，安裝使用到如今，系統(tǒng)各部分軟硬件運行穩(wěn)定，而且門禁裝置安裝簡便，用戶也不用配備額外的開門設(shè)備，利用自己的移動智能終端設(shè)備(如手機)就可以安全開門，因此深得用戶的好評。

結(jié) 語

基于ARM-Linux的移動智能終端門禁系統(tǒng)，采用ARM-Linux嵌入式平臺，利用無線Wi-Fi通信方式，整合了用戶移動智能終端設(shè)備，將門禁數(shù)據(jù)庫中用戶的基本信息(姓名、性別、ID等)同移動智能終端設(shè)備進行綁定，并基于Android的移動智能終端設(shè)備開發(fā)門禁應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)開門，同時為方便門禁系統(tǒng)的管理，開發(fā)了相應(yīng)的門禁數(shù)據(jù)WEB管理系統(tǒng)。

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趙思蕊(碩士研究生)、楊文超、蔣宏宇，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、人機交互；吳亞東(教授)，研究方向為圖形圖像處理、人機交互。

Zhao Sirui,Wu Yadong,Yang Wenchao,Jiang Hongyu

(School of Computer Science and Technology,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

An access control system of mobile intelligent terminal based on ARM-Linux platform and Wi-Fi communication is designed,which includes access control device and user mobile intelligentx terminal equipment.The access control device uses S3C6410 processor and embedded Linux as the software development platform.Mobile intelligent terminal device is the proof of opening door,mobile intelligent terminal development access APP base on Android,which realizes the functions of user authentication,registration,and opening door.Results of the test indicate that the program design has obvious advantages on security,easy operation and low cost compared with the existing techniques and solutions.

access control system;ARM-Linux;S3C6410;Wi-Fi;mobile intelligentx terminal

四川省科技創(chuàng)新苗子工程資助項目(2014-044)，項目名稱為智慧家庭管家。

TP39/TP312

A

士然

2014-12-30)