基于μC/OS-Ⅱ的主從式門禁系統設計

呂俊懷，任世錦，郝國生

（徐州師范大學計算機科學與技術學院，江蘇徐州 221116）

目前，一些單位和家庭雖然使用了安全監控系統，對安全防盜起到了一定的作用，但遠沒有達到人們預期的目標，原因是監控系統是一個單元樓道對應一個監控節點，監控節點以孤立的形式存在，與小區的整體保安脫節；作案人與普通人的外觀形體難于區分和識別。而主從式門禁系統，對小區實現全面監控，能有效克服現有系統的缺點。

由于主從式門禁系統的多任務和實時性特點，為保證系統軟件的可靠性和實時性，主從式門禁系統的軟件是基于μC/OS-II開發的系統軟件，μC/OS-II是源代碼公開的嵌入式實時操作系統，被成功地移植到多種微處理器上[2]。本文介紹了基于μC/OS-II操作系統的門禁系統軟件開發方法。

1 總體設計思想

所謂門禁系統，是指符合條件的人通過門的控制系統。主從式門禁是由多級、多個單門禁系統組成網絡的控制系統。其由小區（單位）門禁和樓道門禁兩級組成。小區門的控制系統是主控制系統，單元樓道的控制系統是從控制系統，主系統和從系統連成主從控制系統，見圖1。

圖1 主從式門禁系統結構圖

主系統對從系統進行管理和控制，并能夠有效裁決系統發生的并發事件，將并發事件轉換為基于時間的串行事件處理。根據經驗，主從系統之間的通信方式由下面情況決定：面積小于106m2的小區，主系統和從系統之間采用485總線通信；對于超過106m2的小區，主系統和從系統之間采用CAN總線通信方式[3,4,9]。主系統對從系統遠程控制，每個從系統的地址取其所在樓號和單元號的組合；從控端對每個住戶采用直接控制。

2 系統總體功能

基于系統結構和實際需要，系統有以下3種功能：

（1）進門監控。有4種方式：一是用鑰匙打開門鎖，二是密碼或刷卡進入，三是卡號更新或修改密碼，四是來訪者通過呼叫住戶進入；

（2）實現主系統、從系統與住戶之間通信與管理功能；

（3）提示與對講系統。

3 系統采用的關鍵技術

根據門禁系統的設計思想和功能，采用了以下關鍵技術：

3.1 主從系統協同控制

主系統通過從系統直接與住戶通話，便于對進入小區的陌生人進行核實。方法是主控制系統通過鍵盤輸入樓號、樓道號、分戶號發送給每個從系統，對應的從系統呼叫住戶。

3.1.1 主系統具有的功能

為了實現主從系統協同工作，主系統具有下面功能：

（1）主動喚醒。當有鍵盤輸入、刷卡時，喚醒主系統；

（2）與從系統聯絡。向從系統發送樓號、單元號、戶號；

（3）被動喚醒。從系統串行口送來的開門特征碼，喚醒主系統。

根據上述要求設計的主控制系統如圖2所示。

3.1.2 從系統具有的功能

從系統有下面功能：

（1）被動喚醒。主系統通過串行口，喚醒從系統；

（2）與主控制系統聯絡。對主系統送來的樓號、單元號，判斷主機是否要和本機通信，如是就完成與主系統握手，協助主系統和住戶建立聯系；

圖2 主控制系統框圖

（3）主動喚醒。鍵盤輸入、刷卡喚醒；

（4）與要聯絡的住戶握手。通過鍵盤呼叫住戶，通過對講系統與住戶聯系。

根據上述要求設計的從系統如圖3所示。

圖3中的K1，K2，…，Kn在住戶端，住戶端按動開關K1，K2，…，Kn，開關信號喚醒STC89C516RD+。主系統和從系統的設計參考文獻[5～7]。

圖3 從控制系統框圖

從系統與住戶的對講系統如圖4所示。主系統和從系統之間實現無線對講，樓道端和住戶端使用有線對講，對講系統的這種設計思想，使主從控制系統的協同控制電路簡化。

圖4 從控制系統與住戶端語音對講系統框圖

圖3輸出控制信號D0，…，Dn，通過解碼電路輸出控制信號 D0’，…Dn-1’，Dn’，連接圖 4的三態門控制端，控制對講系統中的電子模擬開關通斷，從而控制住戶端音頻線的通斷，實現小區門、單元樓道和住戶之間單獨對話。其中D0’,…Dn-1’，Dn’控制語音芯片信號的輸出。

3.2 軟件設計增加了輔助管理功能

在從系統中使用T0定時器。對0：00到5：00時間段內呼叫的住戶號保存；同時從系統對18：00到次日5：00時間段內呼叫進入住戶的人數進行統計，當進入某戶的人數大于該住戶人口數時，保存該住戶號。在次日5：00開始依據已經設定的從控制系統的序號，順序將該數據發送給主控制器，次日17：00清除該數據。主控制系統每天對各棟樓異常出入人數進行統計保存，供保安人員查詢。

3.3 基于μC/OS-Ⅱ的軟件設計

基于STC12C5A60S2的應用軟件具有無限循環、對底層硬件緊密耦合、程序編制缺乏軟件工程設計方法的指導等特點。針對本系統軟件具有突發性、多任務和實時特性。本系統基于μC/OS-Ⅱ平臺開發軟件，不僅滿足門禁系統的要求，而且能簡化程序設計和提高編程效率，同時提高軟件的可靠性。

本系統使用了μC/OS-ⅡV2.76版本，借鑒了參考文獻[8]中μC/OS-Ⅱ移植方法，利用事件標志組Event_Flag()和互斥信號量Mutex()解決多任務在處理共享資源時的優先級反轉問題。由于篇幅限制，在此只是簡略說明軟件系統的開發步驟：

（1）設置工作堆棧和任務堆棧。工作堆棧安排在內部存儲器的53H-7FH，容量為32字節，設置一個全局變量跟蹤程序嵌套的層數，防止工作堆棧溢出；任務堆棧安排在外部數據存儲器的頂部。

（2）移植代碼。修改與STC12C5A60S2相關的代碼。

（3）移植代碼測試和仿真。首先對移植到STC12C5A60S2的代碼進行測試，然后在移植系統上進行仿真調試。

4 結束語

主從式門禁系統設計的創新點是：

（1）在系統設計中采用了主從協同控制技術，并使門禁系統具有輔助管理功能，輔助統計夜間進出人員數據；

（2）主從系統的微處理器使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2，整個系統常態睡眠，節省了能源，提高了產品壽命；

（3）整個軟件系統基于μC/OS-Ⅱ平臺開發，方便了系統維護。

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