基于BLE技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)

白志帥 ，穆士留 ，張 峰 ，趙 黎

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032；2.河南許繼儀表有限公司，河南461000）

門禁系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的安全防衛(wèi)系統(tǒng)[1-8]，近年來(lái)發(fā)展很快已經(jīng)成為時(shí)下的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)多采用RFID刷卡的方式進(jìn)行信息采集和處理，用戶需隨身攜帶卡片，這使用戶很不方便且數(shù)據(jù)信息的采集受距離的限制。本設(shè)計(jì)將藍(lán)牙微功耗的技術(shù)應(yīng)用于門禁系統(tǒng)的信息采集和處理，有效地解決了這一問(wèn)題[9-14]。當(dāng)用戶走進(jìn)有效區(qū)域范圍內(nèi)，用戶只需打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙（藍(lán)牙4.0及以上版本）與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，即可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行一系列的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出入口的安全控制。該系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM32F103處理器、藍(lán)牙BLE模塊、LCD顯示屏、用戶移動(dòng)終端設(shè)備（手機(jī)或便攜式藍(lán)牙模塊）組成。開(kāi)啟系統(tǒng)之后，藍(lán)牙模塊自動(dòng)搜尋附近可連接的移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)建立連接后，藍(lán)牙模塊將采集到的信息傳遞到系統(tǒng)處理器進(jìn)行比對(duì)處理，比對(duì)結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。藍(lán)牙微功耗門禁總體框圖如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙微功耗門禁系統(tǒng)示意Fig.1 Overall block diagram of BLE access control system

1.2 核心實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

課題的硬件部分主要采用STM32F103RBT6開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)的主控模塊，藍(lán)牙模塊采用NRF51822芯片作為信息采集芯片，采用128×64個(gè)點(diǎn)的顯示器作為顯示模塊，軟件部分主要是在Keil的開(kāi)發(fā)環(huán)境上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 iBeacon體系簡(jiǎn)介

2013年9月蘋果公司發(fā)布了OS（iOS7）操作系統(tǒng)，iBeacon是iOS7最重要的特性之一，同時(shí)也為iBeacon協(xié)議帶來(lái)了新的功能。這是一種新型的位置感知技術(shù)，它的本質(zhì)就是藍(lán)牙設(shè)備，使用低功耗藍(lán)牙傳輸技術(shù)進(jìn)行短距離通信。iBeacon技術(shù)通過(guò)在商場(chǎng)等場(chǎng)所建立iBeacon基站，iBeacon基站會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)區(qū)域。當(dāng)帶有低功耗藍(lán)牙的設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，低功耗藍(lán)牙設(shè)備就能感應(yīng)到iBeacon信號(hào)，相應(yīng)的應(yīng)用程序便會(huì)提示用戶是否接入這個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)小型的無(wú)線傳感器和藍(lán)牙技術(shù)用戶便能使用設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)[15]。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用iBeacon技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)門禁系統(tǒng)的控制，原理如圖2所示。門禁系統(tǒng)作為控制中心連接著服務(wù)器并且對(duì)門禁進(jìn)行控制。當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入iBeacon基站自動(dòng)創(chuàng)建的信號(hào)區(qū)域，移動(dòng)終端便可以與門禁系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門禁的控制功能。服務(wù)器主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初始化和對(duì)用戶信息的查找、修改、增加以及刪除功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理功能。

圖2 門禁控制系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of access control system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STMF103處理器

處理器電路設(shè)計(jì)包括STM32F103芯片所用引腳連接及其外圍電路設(shè)計(jì)，主要包括晶振電路、去耦電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路。ARM處理器電路如圖3所示。

圖3 處理器電路Fig.3 Processor circuit diagram

芯片的供電體現(xiàn)在引腳 19、32、48、64接 3.3 V電壓。ARM 處理器中的引腳 16（PA2）、引腳 17（PA3）分別為串行發(fā)送口、串行接收口，連接藍(lán)牙模塊的串行接收口（P0.09）、串行發(fā)送口（P0.08）。其外圍電路包括JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路、晶振電路、去耦電路，如圖4所示。

2.2 NRF51822藍(lán)牙模塊

NRF51822支持低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧和2.4 G協(xié)議棧[15]。NRF51822所有數(shù)字IO引腳可自由定義和映射，方便開(kāi)發(fā)；其藍(lán)牙協(xié)議和應(yīng)用代碼的存儲(chǔ)空間相互分開(kāi)、互不干擾、使用簡(jiǎn)單，只需配置API參數(shù)就可運(yùn)行起來(lái)。NRF51822供電范圍為1.8～3.6 V，可與處理器直接共用電源，系統(tǒng)中通過(guò)XC1和XC2為其并聯(lián)外接16 MHz晶體振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)。模塊射頻天線設(shè)計(jì)是利用ANT1和ANT2差分天線接口外接倒F天線，并通過(guò)片上功率放大器輸出端口ADD_PA為天線提供軟件可調(diào)發(fā)射功率。NRF51822的P0.08和P0.09被映射為芯片串行接口分別連接處理器的接收和發(fā)送端口。電路原理如圖5所示。

圖4 處理器外圍電路Fig.4 Processor peripheral circuit diagram

圖5 NRF51822電路原理Fig.5 NRF51822 circuit diagram

2.3 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用帶中文字庫(kù)的128×64點(diǎn)的LCD液晶顯示屏，其具有4位/8位并行、2線或3線串口多種接口方式，內(nèi)部有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。LCD顯示模塊電路如圖6顯示。

圖6 LCD顯示模塊電路Fig.6 LCD display block

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件功能是ARM處理器STM32從串口2接收藍(lán)牙模塊采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、比對(duì)，然后通過(guò)LCD顯示出用戶信息，軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、按鍵程序。數(shù)據(jù)處理子程序的功能是對(duì)藍(lán)牙模塊采集到的用戶信息進(jìn)行處理和比對(duì)。顯示子程序的功能是將藍(lán)牙模塊采集到的用戶信息和比對(duì)結(jié)果顯示在顯示屏上。按鍵子程序的功能是設(shè)置PA0，按鍵主要是起到緊急開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以通過(guò)按鍵控制出入口的開(kāi)關(guān)。

3.1 主程序

在主程序中，先調(diào)用初始化子程序，完成ARM處理器外設(shè)及串口的初始化[16-18]。藍(lán)牙模塊與移動(dòng)終端連接成功后，藍(lán)牙模塊就會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎幚砥饕灾袛喾绞浇邮諗?shù)據(jù)，檢測(cè)到中斷后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序接收數(shù)據(jù)，判斷是否接收到開(kāi)始標(biāo)志符‘$’，若不是則重新接收，若是則繼續(xù)接收直至接收到結(jié)束標(biāo)識(shí)符‘@’，之后將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎⑼ㄟ^(guò)LCD顯示屏顯示出來(lái)。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Flow chart of main program

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

NRF51822藍(lán)牙模塊與用戶建立連接之后，開(kāi)始采集用戶數(shù)據(jù)，判斷接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)是否是開(kāi)始標(biāo)志符號(hào)‘$’，否則重新開(kāi)始，如果是則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直至接收到結(jié)束標(biāo)識(shí)符‘@’，藍(lán)牙模塊完成數(shù)據(jù)的采集，將采集完的數(shù)據(jù)傳送到處理器。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程Fig.8 Flow chart of data collection diagram

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

在系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)之上，根據(jù)前文所設(shè)計(jì)的硬件原理圖，以STM32F103開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)主控芯片，其串口2連接藍(lán)牙NRF51822模塊，并為各模塊燒寫完成功能所需要的軟件程序，搭建基于藍(lán)牙模塊的智能門禁系統(tǒng)原型。用戶在有效范圍內(nèi)（10 m），通過(guò)移動(dòng)終端與藍(lán)牙進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端對(duì)門禁的控制功能。大大提高了系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以藍(lán)牙微功耗技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合iBeacon服務(wù)體系和STM32F103 ARM處理器以及LCD顯示模塊，設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)牙技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)。硬件部分主要包括電源電路、藍(lán)牙模塊電路、ARM處理器模塊電路、LCD顯示電路等。軟件部分主要包括藍(lán)牙信息采集子程序、按鍵處理子程序、顯示子程序等。該系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙采集到的移動(dòng)終端信息，對(duì)用戶信息進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端控制門禁的功能。基于藍(lán)牙微功耗技術(shù)進(jìn)行門禁信息采集具有較高的準(zhǔn)確性、安全性，成本低且便于實(shí)現(xiàn)。以ARM處理器STM32芯片作為控制核心具有數(shù)據(jù)處理快速和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。本課題以STM32開(kāi)發(fā)板為平臺(tái)進(jìn)行了軟、硬件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳遞和顯示，為門禁系統(tǒng)提供了一種高效、安全的信息采集方式。

[1]楊毯毯，姜琴，扈健瑋.基于藍(lán)牙的門禁系統(tǒng)[J].科技風(fēng)，2016（11）：128-129.

[2]HID GLOBAL.門禁領(lǐng)域的新篇章—用智能手機(jī)、智能藍(lán)牙與手勢(shì)技術(shù)開(kāi)門[J].中國(guó)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，2015（5）：76-78.

[3]羅回彬，李榮興，黃濱檳，等.基于藍(lán)牙的視頻門禁系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（12）：159-160.

[4]郭利敏，劉悅?cè)?iBeacon在圖書館的應(yīng)用研究[J].上海高校圖書情報(bào)工作研究，2015（1）：39-43.

[5]王磊.基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的防丟失的研究與設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[6]張倬勝，艾浩軍，馬方方，等.基于iBeacon定位技術(shù)的智慧圖書館[J].電子產(chǎn)品世界，2015（1）：31-35.

[7]Sluis，Sarah.Apples iBeacon expands retail opportunities for location-based services customer relationship management[J].CRM Magazine，2013，17（12）：12.

[8]趙力.基于BLE的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[9]卞合善.基于藍(lán)牙4.0低功耗室內(nèi)定位研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[10]Heloise Pieterse，Martin S.Olivier.Bluetooth command and control channel[J].Computers&Security，2014，45（9）：75-83.

[11]曹結(jié).基于低功耗藍(lán)牙和位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].云南：云南大學(xué)，2014.

[12]P.M.Varela，T.Otsuk Ohtsuki.Discovering co-located walking groups of people using iBeacon technology[J].IEEE Access，2016（4）：6591-6601.

[13]張彥玲，喬哲.基于iBeacon技術(shù)的智慧會(huì)展前景眺望[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2016（12）：323.

[14]Z.Chen，Q.Zhu，Y.C.Soh.Smartphone inertial sensor-based indoor localization and tracking with iBeacon corrections[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2016，12（4）：1540-1549.

[15]蘇陽(yáng)，舒景辰，張志佳.基于藍(lán)牙的智能門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2014，4（2）：75-78，83.

[16]A.F.Harris III，V.Khanna，G.Tuncay，et al.Bluetooth low energy in dense IoT environments[J].IEEE Communications Magazine，2016，54（12）：30-36.

[17]邵波，連朝曦，劉嘯.基于iBeacon的圖書館智能定位系統(tǒng)構(gòu)建[J].圖書館學(xué)研究，2016（9）：12-17，23.

[18]E.Moreno，F(xiàn).A.Lima，W.R.Azevedo Dias.Performance analysis of a low cost cluster with parallel applications and ARM processors[J].IEEE Latin America Transactions，2016，14（11）：4591-4596.