基于stm32的可视化门禁系统.docx
《基于stm32的可视化门禁系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于stm32的可视化门禁系统.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于stm32的可视化门禁系统
基于stm32的可视化门禁系统
毕业论文（设计）
题目基于STM32的可视化门禁系统
学生姓名丁闯
学号20121309040
学院电子与信息工程
专业信息工程
指导教师高超
基于STM32的可视化门禁系统
丁闯
南京信息工程大学电子与信息工程学院信息工程系，南京210044
摘要：
随着智能技术的飞速发展和计算机应用的普遍推广，视频门禁系统在我们生活随处可见，住户的安全性得到大大的提高，也体现了门禁系统向智能方向发展的特点。
本系统由上位机和下位机两部分组成，下位机采用了Cortex-M3教学科研平台UP-CUP-STM32-DVP作为硬件开发平台，采用STM32F103ZET6作为核心处理器，上位机也为以ARM为核心的移动手持模块，两者通过WI-FI相互通信并配备摄像头等模块，实现了一种基于ARM的可视化智能家居门禁系统。
该系统操作简便，使用灵活，智能化程度高，节省物力、人力和时间，用户可以随时随地通过手机辨识来访者并控制门禁系统，视屏门禁的应用使家居安防的智能水平得到了提升，具有广阔的应用市场。
关键词：
可视化;门禁系统;STM32;单片机
Abstract :
Withtherapiddevelopmentofintelligenttechnologyandthepopularizationofcomputerapplication,accesscontrolsystemcanbeseeneverywhereinourlife.Householdsecurityhasbeengreatlyimproved,whichalsoreflectsthedevelopmentofaccesscontrolsystemtointelligentdirection.Thissystemiscomposedoftwoparts,theuppercomputerandthelowercomputer.ThelowercomputerusestheCortex-M3teachingandresearchplatformUP-CUP-STM32-DVPasthehardwaredevelopmentplatform,usingSTM32F103ZET6asthecoreprocessor.TheuppercomputerisamobilehandheldmodulewithARMasitscore,bothcommunicatethroughWI-FIandequippedwithcamerasandothermodules.WhichimplementofaARMbasedvisualintelligenthomeaccesscontrolsystem.Thesystemiseasytooperate,flexibletouse,highdegreeofintelligence,savingmaterial,manpowerandtime.Userscanaccessandcontroltheaccesscontrolsystematanytimeandatanytimebymobilephone.Theapplicationofvideoaccesscontroltomakehomesecurityintelligentlevelhasbeenimproved,withabroadapplicationmarket.
Keywords:
Visualization;Systemofaccesscontrol;STM32;ARM
第一章绪论
随着国民经济的发展，计算机逐渐普及，智能技术得到了进一步的发展，社会信息化程度的迅速提高，人们的生活变得越来越便捷。
越来越多的高新技术被应用到生活中，本章将介绍可视化智能家居门禁系统的背景和意义。
以及嵌入式的简介、智能家居的概述和海内外研究近况。
1.1可视化智能家居门禁
1.1.1研究背景
随着科学技术的发展，ARM处理器的功能快速的增多，性能也变得更加优秀。
而且，通过ARM处理器实现的一些相关功能，不仅基于本科生的课程学习，而且不会超过本科生的设计能力。
智能门禁系统的发展越来越多元化，逐渐成为发达的地区重要场所必备的安防系统之一。
传统的门禁安全设备仅仅是被动的监控，与之不同的是，智能家居门禁系统具有主动监控和报警控制的功能，是小区住户安全防范措施必不可少的，能够提高住户的安全感。
以是，越来越多的人会在安防控制设备领域中使用它。
随着智能小区的普及，越来越多的用户装起了门禁系统。
而门禁系统的通讯也从语言通讯向视频通讯方面逐步转变。
视频门禁系统的出现，不仅提升了住户内心的安全感，使得住户在工作时可以放心的把亲人留在家中，而且体现了门禁系统向智能方向发展的趋势。
但是目前的视频通话住户必须起身站在门禁设备旁使用，这样的情况给用户体验带来了一定的不适感。
1.1.2研究意义
通过对研究背景中目前门禁系统不足之处的提出，本系统提出一种基于ARM的可视化智能家居门禁系统。
该新型可视化智能家居门禁系统在以往门禁系统的基础上，以Cortex-M3教学科研平台UP-CUP-STM32-DVP作为硬件开发平台，使用STM32F103ZET6作为核心处理器并配以基于ARM的移动手持模块进行视频通讯。
本设计进一步体现智能家居的人性化，用户可以通过移动手持模块方便的观察访客，并且可以通过手持模块来控制房门的开关，而不需要频繁动身亲自开门，节省时间、人力、和物力，给用户提供了更简要的方便。
1.2嵌入式概述
1.2.1嵌入式简介
嵌入式系统（Embeddedsystem）按照英国电气工程师协会的定义是：
“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”[1]。
嵌入式系统一般不是个人计算机系统，是固化在特定的设备里面的，不可以随意安装或卸载，需要使用专业的工具把系统代码写入到存储芯片上，比如，MP3、手机里面的系统。
通用计算机是每个行业都可以使用的，功能比较齐全，适应性很强。
嵌入式计算机是一种计算机的存在形式，从计算机技术发展中分离出来的。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
它的一些主要的特征如下：
（1）嵌入到应用系统。
运行速度快、低功耗、集成度高、体积比较小可以方便的嵌入到应用系统和电子产品中。
（2）可以在工业现场环境中可靠的运行。
（3）面对控制的对象。
面对传感器信号的输入；面对人机交互的操作控制；面对对象的伺服驱动和控制。
（4）优良的控制性能。
对外部各种模拟和数字信号能及时的捕捉，对多种不同的控制对象的实时控制。
可以看出嵌入式计算机与通用计算机系统在应用目标上有巨大的差别。
通用计算机系统运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。
在通用计算机中，巨型机是运算最快的。
而嵌入式计算机系统要求的是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入式性能、控制能力与控制的可靠性[2]。
嵌入式系统是有着严格要求的，有着完整的系统测试和可靠地评估体系。
使用的资源较少，但需要专用的开发工具，可完成诸如实时控制、监测管理、数据处理等各种自动化处理任务。
它的核心是应用，基础是计算机技术，相对的硬件、软件是可以缩扩的。
嵌入式系统是软硬结合的东西，实际上嵌入式说白了就是一个硬件电路加上一个实时操作系统，这种系统因为软硬件都必须高效的设计，所以它拥有的软件的程序段较小、自动化度较高，响应速率快等优势，非常适应于面向对象要求实时和多任务的应用。
传统的嵌入式系统是是以单片机为基础的，多数显示为以可编程控制器的形式。
嵌入式系统的成长分为三个时间段：
简单操作系统阶段：
70年代到80年代，最初的70年代，单片机的出现，我们通过汇编语言对系统进行控制，这类系统结构和功能相对单一，处理效率较低。
到了80年代，微控制器的出现，推动了嵌入式系统的发展，此时嵌入式操作系统还是相对简单，但功能不再单一，而且效率较高。
实时操作系统：
90年代，嵌入式系统一飞冲天，因为硬件对实时性要求的提高，嵌入式系统又是软硬结合的，软件的规模也随之不停的扩大。
这一阶段的特征是改善了操作系统的实时性，具备了一系列的功能，使软件开发变得简单。
面向Internet:
21世纪，互相网道路的不断前进，嵌入式要想做出进一步的突破，就必须和互联网结合起来。
操作系统的自身结构设计要便于移植，而且应用嵌入式设备的结构变得复杂，功能更加多样化。
未来，嵌入式系统不停地向前迈步。
1.2.2嵌入式应用
嵌入式系统有独特的结构和性能，充斥在国家的各个发展领域。
人们生活中将无处不接触到嵌入式产品。
小到家里的家用电器，大到军工、航天等一些重要军事领域。
在很多领域中，嵌入式着重在控制方面的应用。
在嵌入式应用中，家电方面的应用有着广阔的前景。
越来越多的家用电器嵌有处理器，实现多功能、远程控制、智能管理，方便人们的生活。
现在就可视化智能门禁系统而言，它是属于远程控制的。
不仅需要实现无线数据传输，还需要统一的控制协议。
1.3智能家居概述
智能家居（英文：
smarthome,homeautomation）是以住宅作为服务平台，通过一系列的技术处理，将与家居有关的子系统结合起来，达到智能管理的目的。
方便人们的生活，帮助人们更好的分配自己的业余时间，享受自己的生活。
主体在于家庭自动化，通过家电统一是一个开关、远程控制家里电器设备、又如自动控制空调的开关（在温度低于多少度开始制热，高于多少度开始制冷，使房间处在一个舒适的温度内）等，以此来优化人们生活。
智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，把电器设备联合成是一个有机的整体。
本系统也是智能家族里面的一小部分，用到了监控系统和开门（主要是监控系统）。
1.4国内外研究现状
最近几年，门禁系统在海内外得到普及，也随处可见。
例如：
学校的宿舍有着刷卡门禁系统、宾馆的刷卡房门、开车进出小区要刷卡认证等等。
美国是最先提出“智能家居”这个概念的，也是目前在智能家居方面领先的国家之一，越来越多国家的一些大型企业把重心移向个人家庭智能化的研发，竞争这个有着无限潜力的市场。
智能家居最初的发展是以电气设备远程控制为主，主要的着重点在于控制。
随着电脑行业的发展，嵌入式的不断前进，无线系统慢慢的取代有线系统，我国的无线系统也慢慢赶上西方发达国家的水平。
这也就推动了国内家居智能化的发展。
我国是有着广大的人口资源，所以在智能化家居这个市场上可以获得巨大的利润，虽然现在国家经济正在飞速发展，但相对西方国家，我国人均还是比较贫穷的，大部分的消费放在日常生活，没有能力去对家庭进行智能化改进。
所以我国有着大量的资源，当大家都奔小康，追求精神上的享受时，这个行业的潜力才会真正显露出来。
随着国家经济不断发展，技术的进步，智能化会越来越高端，人们对生活有了新的追求，这也就暗示智能家居市场有着不可限量的发展前景。
第二章系统分析
本章将对课题的系统进行简单的分析，对系统各功能模块及其功能的进行明确的介绍，以方便日后对系统进行设计和实现。
2.1系统总体需求
针对目前的门禁系统住户必须起身走到门口站在门禁设备旁使用，这样的情况给用户体验带来了一定的不适感。
本设计利用日渐成熟的嵌入式系统结合传感器技术，高性能ARM处理器和视频技术，开发出基于ARM的可视化智能家居门禁系统，可以远程实时控制。
可视化智能家居门禁系统，是在现有门禁系统的基础上，配上摄像头模块进行观察访问者。
当有访客访问时，由访客通过键盘模块触发系统，系统开始运行。
首先要初始化各个模块，使各个模块处于待机状态，如果住户通过手持设备模块返回控制信息，中央处理器使用摄像头模块开始采集数据，然后数据经中央处理器处理过后通过WI-FI传送到移动手持模块上，通过显示屏可以观察访客，并通知用户远程控制门禁系统；用户也可以通过WI-FI与访客进行单方面的视频语音通讯，更方便的探寻访客来访意图。
2.2功能模块
系统需要的功能模块有微处理器单元模块、访客呼叫模块、摄像头模块、语音通讯模块、无线传输模块和移动手持模块。
①微处理器模块使用的教学科研平台是UP-CUP-STM32-DVP，此平台采用STM32F103ZET6作为核心处理器（硬件介绍见下一章）。
微处理器模块主要功能是数据的采集与处理以及通讯模式选择。
当访客要求通讯时，该模块将请求信息通过串口WI-FI发送给用户。
②访客呼叫模块：
访客通过访客呼叫模块拨打住户的号码，并由微处理器单元模块将呼叫信息通过WI-FI向移动手持模块发出请求通讯的信息。
③摄像头模块：
由用户通过移动手持模块授权打开，进行与访客的单方面视频通讯。
④语音通讯模块：
用于访客与住户之间单方面的语音通信，便于用户确定访客的来访目的。
⑤无线传输模块主要进行移动手持设备与微处理器单元模块直接的信息交换，完成住户的要求。
⑥移动手持模块为以ARM为核心处理器的集成模块，住户通过该模块来方便确定来访者与之通讯，并且住户可通过该模块来控制房门的开关。
2.3典型应用场景示意图
下图2-1为该可视化门禁系统典型应用场景示意图，在应用时，多个用户依次进行访客呼叫，住户通过可视化门禁系统的手持模块来决定是否允许访客进入，达到预期目的。
图2-1典型应用场景示意图
访客到来时，通过系统的键盘模块进行拨号，来通知住户。
门禁系统通过对访客的拨号来确定被访问的住户。
初始化各个模块后，通过串口WI-FI将访客信息发送到住户的移动手持设备模块上，由住户远程控制门禁系统。
第三章硬件设计与实现
3.1硬件总体设计
本系统硬件部分以UP-CUP-STM32-DVP教学科研平台为核心的门禁终端和移动手持模块组成。
本设计需要用到的硬件有STM32F103ZET6的迷你版2块，2个串口WI-FI，2个液晶显示屏，1个带有连线的摄像头（可与STM32单片机连接的），一个语音模块，1个外放扩音器，2个SD卡，里面装着图片，1个开关按钮，若干LCD灯和连线。
3.2门禁终端硬件设计
门禁终端的控制核心是微处理器单元模块，包括访客呼叫模块，摄像头模块，无线传输模块和语音通讯模块。
硬件框图如图3-1：
图3-1硬件框图
3.2.1微处理器单元模块
微处理器单元模块选用Cortex-M3的UP-CUP-STM32-DVP教学科研平台，使用103系列的ZET6这块芯片作为核心处理器。
Cortex-M3教学科研平台采用ST公司的STM32F103ZET6芯片。
STM32是一款基于ARM的Cortex-M3内核（Cortex-M3是32位的核，可以减少大部分时钟周期和中断），最高可达72MHZ的时钟频率，内置512KB闪存程序存储器用于存放程序和数据和64KSRAM（CPU，能以0等待周期访问（读/写））,并行LCD接口，兼容8080/6800模式。
该款芯片资源丰富，下面简介一下这款芯片的一些资料。
I/O接口：
最多可达80个，每个接口都能映像16个外部中断，而且大部分端口可以外接5V电压。
在这些接口中，由3个外接串接口（SPI），2个I2S接口，可以工作主或从模式下工作，2路能够在多主模式或从模式，支持标准和快速模式工作的I2C接口。
定时器：
包括4个通用的，2个高级控制的，2个普通的，2个WDT，以及1个系统滴答定时器。
本系统用的STM32F103ZET6这款芯片，它是属于ST系列芯片中的第三类（如果ST芯片按照容量大小分类）！
它内置了5个串口收发器，它们的功能有提供异步通信、支持IrDA、SIR、ENDEC传输编解码、单线半双工通信模式等。
这个芯片还有一个USB从设备接口,SDIO接口,一个CAN接口,可兼容SRAM,NOR和NANDFlash接口的16位总线FSMC。
有12位A/D输入及相对应得12位D/A输出。
因为它的处理器资源丰富，还可以进行进一步的配置和扩展。
显示设备有四个七段数码管，2.4寸TFT真彩LCD支持触摸屏，8*8点阵模块和字符液晶屏。
输入设备有3*4矩阵键盘，五维遥感和3个中断按键。
传感器种类有压力传感器，霍尔开关，和光敏电阻等。
3.2.2访客呼叫模块
为了节省资源，我使用开发平台自带键盘作为输入。
当有访客来访时，只需要按下开关键盘，通过微处理单元模块，初始化各种模块，再通过串口WI-FI传递信号。
3.2.3摄像头模块
摄像头可以分为两类：
数字的和模拟的。
其中，模拟摄像机采用隔行扫描转换成模拟信号，转换成数字信号，最后变成视屏信号，它只能进行单方向的信号传输，而且读取的时候要使用监视器。
缺点就是系统体积大，使用成本高，分辨率低，安装监视器的时候考虑的因素较多。
数字摄像头可以直接捕获影像，可以通过串、并口或者USB接口传到计算机里，直接获得所要的图像或视频。
简化了视频系统结构，同时也降低了制造成本。
所以本设计将采用后者（OV7725摄像头）作为本系统的摄像头模块。
图3-2OV7725摄像头
OV7725最高可以获得640*480@60Hz分辨的输出视频，符合大部分产品的应用需求，下面对OV7725摄像头的优缺点进行简单介绍：
①灵敏度较高，适合低照度；
②有标准的SCCB配置接口，能配置输出RAWRGB、RGB（GRB422、RGB565/RGB444）、YVA422这些格式的视频流；
③支持从CIF到40x30的各种尺寸图象输出,支持120FPS高帧速度输出（QVGA,更适合抓拍快速移动物体）；
④模块板载大字节的FIFO，可轻松与MCU接口；
⑤可以自动抑制噪声，在信号最大的同时，尽力减少噪音；
⑥可以实现帧的同步配置；
⑦安装定位精确度高。
3.2.4无线传输模块
因为蓝牙和WIFI都属于无线传输模块，这里我选择的无线传输模块是串口WIFI。
下面我将对蓝牙和WIFI的不同之处进行介绍，以此来说明我选择WIFI的原因。
首先蓝牙和WIFI都属于无线通信网络标准。
尽管蓝牙设备之间可以直接通讯，但联系到我们这个可视化视屏门禁系统背景，我们需要的无线范围相对较大，蓝牙的适用范围较小（一般在10米以内），而WIFI的适用范围比蓝牙的要大得多了。
另一占决定因素的原因是传送速度，蓝牙速度比WIFI慢的多。
以上两个方面是我选择使用WIFI的主要原因。
下面还有几个次要原因：
就使用方式来说，蓝牙使用的一般是跳频，而WIFI一般是直接序列扩频；对于蓝牙和WIFI的使用目的，蓝牙可以连接不同的电子设备，让它们完成信息传递，而WIFI是为无线局域网而设计的。
本系统的无线传输模块使用串口转WI-FI模块。
因为使用了两块STM32的板子，本系统也就选用了两块串口WIFI模块，每个板子连接一块，直接进行信号匹配，匹配成功就可以进行数据传送了。
串口WIFI模块是一种低成本、低功耗的嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太网-无线网）模块，采用的是串口接口，内置TCP/IP协议栈。
它的串口速率是可以调节的，可以实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的自由转换。
图3-3串口WIFI模块实物图
串口WIFI模块部分硬件电路如下图所示：
图3-4RS232串口
图3-5按键
图3-6网络接口
图3-7WIFI模块
3.2.5语音通讯模块
语音系统是日常生活中不可或缺的一部分，ATM语音提示、公交车报站系统、语音门铃、电梯语音提示系统等随处可见。
本系统使用ISD1700系列语音模块。
ISD1700系列单片优质语音录放芯片，能够提供20秒~240秒可选的录放音时间，可以多段录音，芯片内有存储管理系统来管理多段录音。
关键是在单独使用按键的情况下能进行多段语音的录制和播放，而且具有简单易用、外围电路简单等特点，是开发语音系统的上佳选择。
对语音模块的一些主要按键进行介绍：
REC：
录音，电平触发（门禁系统的录音已经烧FLASH里面了）；
PLAY：
放音，如果是边沿触发则播放一段，若是电平触发就进行循环播放；
RESET：
复位；
RDY/INT：
就绪或中断；
FWD：
功能是播放下一曲。
图3-5语音通讯模块实物
下图是语音通讯模块的硬件电路：
图3-6语音通讯模块硬件电路
3.3移动手持模块设计
基于ARM的处理器，串口转WIFI模块和TFT液晶屏组成了移动手持模块。
TFT屏为3.2寸液晶电阻触摸屏自带ILI9341控制器。
TFT（就是真彩屏）屏是有源矩阵液晶显示器的一种，是一款比较容易实现高分辨率的显示器件。
相对于其他同类产品，它的图像是最清楚的，因为它的排列是可记忆性的。
下面是TFT液晶屏的一些优点：
相应时间比效短，并且色彩艳丽。
因为门禁系统要求，在使用TFT液晶屏时，应该注意一下校准。
利用单片机把校准程序烧进去，仿真之后按照要求对着屏幕进行单点触屏。
，
图3-7TFT屏实物
图3-8TFT屏硬件电路
TFT屏触摸控制电路如图3-9：
图3-9TFT屏触摸硬件电路
3.4KILL4的安装与使用
在使用STM32时，我们需要使用Kill4对写的程序进行仿真与程序调试。
对于下载程序的方式有两种：
串口下载和JLINK下载，由于串口下载相对比较麻烦，而且JLINK下载可以在线调试，我这里将使用JLINK下载方式。
在将程序通过JLINK下载到相应的模块里进行仿真与调试之前，我们要在电脑上安装JLINK驱动。
使用仿真器在线调试的时候需要注意的一点是将BOOT的开关拨到FLASH档位，不然在线调试的时候程序无法运行。
接着按照STM32给的资料，安装MDK（程序：
买开发板的时候店家给的，网上也有，直接使用就行），安装完MDK开发环境后，在编译程序的时候会有40K的代码限制，我们只需要和谐下即可搞定。
第四章软件设计与实现
4.1总体设计
本可视化智能家居门禁系统软件整体包括两大部分，即以Cortex-M3教学科研平台UP-CUP-STM32-DVP为核心的门禁终端下位机和以ARM处理器为主的上位机，两个模块在各自不同的环境下运行，主要实现门禁终端的数据采集和传送，以及手持模块的数据传送和功能设定。
图4-1总体设计
4.2门禁终端软件设计
门禁终端软件设计主要实现各个模块的初始化和相应功能的选择设定。
终端软件流程如下图4-2：
图4-2终端软件流程
首先初始化门禁系统的各个模块，进入待机状态。
当有访客通过键盘模块访问的时候，门禁系统经过对拨号分析后将数据发送到被呼叫用户的移动手持设备模块。
如果移动手持设备模块长时间无应答（我这里设计的时间是5s），则向访客提示住户忙碌信息，如果住户通过移动手持设备模块返回控制信息，则进入接收数据、处理数据阶段。
其中接收数据、处理数据阶段主要操作为①是否开门②是否打开摄像头模块和语音模块③是否结束这次流程。
通过对数据的处理，门禁系统进行相应的操作。
4.3移动手持设备模块软件设计
移动手持设备软件设计主要涉及门禁终端功能的设定以及数据的接收与发送。
主要流程如图4-3：
图4-3手持设备软件流程
当移动手持设备模块收到门禁系统发送来的访客信息的时候，提醒住户并进入功能设定阶段。
其中功能设定阶段主要
升级会员 