基于μC/OS-Ⅱ的主从式门禁系统设计

吕俊怀，任世锦，郝国生

（徐州师范大学计算机科学与技术学院，江苏徐州 221116）

目前，一些单位和家庭虽然使用了安全监控系统，对安全防盗起到了一定的作用，但远没有达到人们预期的目标，原因是监控系统是一个单元楼道对应一个监控节点，监控节点以孤立的形式存在，与小区的整体保安脱节；作案人与普通人的外观形体难于区分和识别。而主从式门禁系统，对小区实现全面监控，能有效克服现有系统的缺点。

由于主从式门禁系统的多任务和实时性特点，为保证系统软件的可靠性和实时性，主从式门禁系统的软件是基于μC/OS-II开发的系统软件，μC/OS-II是源代码公开的嵌入式实时操作系统，被成功地移植到多种微处理器上[2]。本文介绍了基于μC/OS-II操作系统的门禁系统软件开发方法。

1 总体设计思想

所谓门禁系统，是指符合条件的人通过门的控制系统。主从式门禁是由多级、多个单门禁系统组成网络的控制系统。其由小区（单位）门禁和楼道门禁两级组成。小区门的控制系统是主控制系统，单元楼道的控制系统是从控制系统，主系统和从系统连成主从控制系统，见图1。

图1 主从式门禁系统结构图

主系统对从系统进行管理和控制，并能够有效裁决系统发生的并发事件，将并发事件转换为基于时间的串行事件处理。根据经验，主从系统之间的通信方式由下面情况决定：面积小于106m2的小区，主系统和从系统之间采用485总线通信；对于超过106m2的小区，主系统和从系统之间采用CAN总线通信方式[3,4,9]。主系统对从系统远程控制，每个从系统的地址取其所在楼号和单元号的组合；从控端对每个住户采用直接控制。

2 系统总体功能

基于系统结构和实际需要，系统有以下3种功能：

（1）进门监控。有4种方式：一是用钥匙打开门锁，二是密码或刷卡进入，三是卡号更新或修改密码，四是来访者通过呼叫住户进入；

（2）实现主系统、从系统与住户之间通信与管理功能；

（3）提示与对讲系统。

3 系统采用的关键技术

根据门禁系统的设计思想和功能，采用了以下关键技术：

3.1 主从系统协同控制

主系统通过从系统直接与住户通话，便于对进入小区的陌生人进行核实。方法是主控制系统通过键盘输入楼号、楼道号、分户号发送给每个从系统，对应的从系统呼叫住户。

3.1.1 主系统具有的功能

为了实现主从系统协同工作，主系统具有下面功能：

（1）主动唤醒。当有键盘输入、刷卡时，唤醒主系统；

（2）与从系统联络。向从系统发送楼号、单元号、户号；

（3）被动唤醒。从系统串行口送来的开门特征码，唤醒主系统。

根据上述要求设计的主控制系统如图2所示。

3.1.2 从系统具有的功能

从系统有下面功能：

（1）被动唤醒。主系统通过串行口，唤醒从系统；

（2）与主控制系统联络。对主系统送来的楼号、单元号，判断主机是否要和本机通信，如是就完成与主系统握手，协助主系统和住户建立联系；

图2 主控制系统框图

（3）主动唤醒。键盘输入、刷卡唤醒；

（4）与要联络的住户握手。通过键盘呼叫住户，通过对讲系统与住户联系。

根据上述要求设计的从系统如图3所示。

图3中的K1，K2，…，Kn在住户端，住户端按动开关K1，K2，…，Kn，开关信号唤醒STC89C516RD+。主系统和从系统的设计参考文献[5～7]。

图3 从控制系统框图

从系统与住户的对讲系统如图4所示。主系统和从系统之间实现无线对讲，楼道端和住户端使用有线对讲，对讲系统的这种设计思想，使主从控制系统的协同控制电路简化。

图4 从控制系统与住户端语音对讲系统框图

图3输出控制信号D0，…，Dn，通过解码电路输出控制信号 D0’，…Dn-1’，Dn’，连接图 4的三态门控制端，控制对讲系统中的电子模拟开关通断，从而控制住户端音频线的通断，实现小区门、单元楼道和住户之间单独对话。其中D0’,…Dn-1’，Dn’控制语音芯片信号的输出。

3.2 软件设计增加了辅助管理功能

在从系统中使用T0定时器。对0：00到5：00时间段内呼叫的住户号保存；同时从系统对18：00到次日5：00时间段内呼叫进入住户的人数进行统计，当进入某户的人数大于该住户人口数时，保存该住户号。在次日5：00开始依据已经设定的从控制系统的序号，顺序将该数据发送给主控制器，次日17：00清除该数据。主控制系统每天对各栋楼异常出入人数进行统计保存，供保安人员查询。

3.3 基于μC/OS-Ⅱ的软件设计

基于STC12C5A60S2的应用软件具有无限循环、对底层硬件紧密耦合、程序编制缺乏软件工程设计方法的指导等特点。针对本系统软件具有突发性、多任务和实时特性。本系统基于μC/OS-Ⅱ平台开发软件，不仅满足门禁系统的要求，而且能简化程序设计和提高编程效率，同时提高软件的可靠性。

本系统使用了μC/OS-ⅡV2.76版本，借鉴了参考文献[8]中μC/OS-Ⅱ移植方法，利用事件标志组Event_Flag()和互斥信号量Mutex()解决多任务在处理共享资源时的优先级反转问题。由于篇幅限制，在此只是简略说明软件系统的开发步骤：

（1）设置工作堆栈和任务堆栈。工作堆栈安排在内部存储器的53H-7FH，容量为32字节，设置一个全局变量跟踪程序嵌套的层数，防止工作堆栈溢出；任务堆栈安排在外部数据存储器的顶部。

（2）移植代码。修改与STC12C5A60S2相关的代码。

（3）移植代码测试和仿真。首先对移植到STC12C5A60S2的代码进行测试，然后在移植系统上进行仿真调试。

4 结束语

主从式门禁系统设计的创新点是：

（1）在系统设计中采用了主从协同控制技术，并使门禁系统具有辅助管理功能，辅助统计夜间进出人员数据；

（2）主从系统的微处理器使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2，整个系统常态睡眠，节省了能源，提高了产品寿命；

（3）整个软件系统基于μC/OS-Ⅱ平台开发，方便了系统维护。

[1]雷峰成，等.嵌入式网络数字图像监控系统[J].微计算机信息（嵌入式与 SOC），2006，（9）：133-135.

[2]任 哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2005.

[3]王华平，等，基于CAN总线的汽车车门控制系统设计[J].微计算机信息（嵌入式与 SOC），2006，（9）：239-241.

[4]黄军娜，等.基于特定协议的串口通信与远程控制的实现[J].微计算机信息（控制自动化），2006，（11）：8-10.

[5]徐爱均，彭秀华.单片机高级语言编程uVison2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6]马文华.μC/OS-II在MCS51上的移植[J].广州大学学报(自然科学版)，2005，5（3）：31-34.

[7]宋光华，等.总多单片机系统应用技术[M].北京：国防工业出版社，2003.