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為了加快高校實驗室智能化建設，方便對高校實驗室門禁進行統(tǒng)一管理，設計一款基于以太網(wǎng)的智能門禁管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的門禁設備采用室內控制器與室外控制器分離設計方法，通過射頻識別技術讀取校園卡信息，實現(xiàn)門禁功能；設計門禁網(wǎng)頁對門禁設備進行管理。門禁網(wǎng)頁采用PHP語言編寫，門禁網(wǎng)頁與門禁設備的數(shù)據(jù)交互采用集成化的以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧W5500芯片來實現(xiàn)，通過網(wǎng)頁對門禁設備進行有效的管理，為門禁智能化管理提供了很好的解決方案。在第二屆高校實驗室建設與發(fā)展論壇上，圍繞高校實驗室建設面臨的問題展開研討，提出需要更加智能化的門禁系統(tǒng)，提高高校實驗室的利用效率。結合高校實用性與實際特點，每個學生都有屬于自己的校園卡，每張校園卡都有一個不同的特征碼，采用射頻識別技術的更加方便以及適合。加上科技的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術應用廣泛，可以對數(shù)據(jù)進行遠程管理。設計了一款基于以太網(wǎng)的實驗室門禁系統(tǒng)，結合設計的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁對門禁系統(tǒng)進行整體的管理，方便學生進出實驗室并且增加了安全性。

1門禁系統(tǒng)組成

門禁設備由室內與室外兩個控制器組成，門外控制器采用STC15系列單片機，負責接收射頻模塊采集到的卡號信息，然后通過串口把采集的信息傳給室內控制器；室內控制器是門禁主控制器，采用了性能較好的STM32F103系列單片機，負責接收室外控制器傳入的與自身射頻模塊采集的卡信息，控制門的開與關，并通過W5500與服務器連接，實現(xiàn)網(wǎng)頁管理，系統(tǒng)總框架如圖1所示。通過不同的IP地址來對多個門禁設備進行管理，并實現(xiàn)實時監(jiān)控。門禁設備分為室內與室外兩個控制器的優(yōu)點是適用范廣，主控制器放在室內，不容易被破壞，門禁系統(tǒng)相對安全可靠。門禁網(wǎng)頁與門禁設備進行連接，可以完成增加人員權限、刪除人員權限、查詢實時人數(shù)以及刷卡記錄的的保存。門禁設備也可以脫離網(wǎng)頁管理獨立工作，遇到斷電等突發(fā)事件時也可以正常運行，受外界干擾小。

2硬件電路設計

2.1射頻采集模塊。射頻模塊選用的非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片MF-RC522，該芯片利用調制和解調的原理，適合各種通信協(xié)議，支持ISO14443標準，具有FIFO緩沖區(qū)，具有讀寫卡、防沖撞等功能，支持SPI、IIC、串行USRT等接口。室外控制器與室內控制器通過SPI與RC522進行通信，來讀取校園卡的卡號，RC522的相關引腳按照圖2所示的關系連接并配置。2.2以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)模塊可以使嵌入式系統(tǒng)快速高效的連接到互聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)模塊選擇W5500芯片，該芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，因此實現(xiàn)以太網(wǎng)應用只需要一些簡單的Socket編程就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。使用硬件協(xié)議棧芯片會更加快速、穩(wěn)定、安全，還可以減少主控制器的中斷響應，有效降低了室內主控制器的負擔，且容易開發(fā)，便于系統(tǒng)更新。

3軟件設計實現(xiàn)

3.1嵌入式軟件設計。本設計除了用到STC15W4K32S4及STM32F103RBT6芯片以外，也用到了其他外設，所以軟件設計采用模塊化的思想設計，方便后期程序更新維護。主程序的軟件模塊設計思路：（1）首先，嵌入式主程序的軟件軟件設計需要初始化各個模塊，包括STC15以及STM32相應外設功能初始化、W5500模塊初始化、RC522模塊初始化等。室外的主控制器程序主要包含RC522檢測程序、串口中斷程序。室內主控制器主程序中的各個子程序包括RC522識別判斷程序、W5500響應請求程序、網(wǎng)頁IP設置程序、繼電器響應程序等。主程序把子程序結合起來，完成為門禁的開關以及響應門禁網(wǎng)頁請求。（2）主控制器的主程序流程中檢測RC522與W5500是否有信息傳入，如果有卡號信息，則對卡號以及時間進行判斷是否在W256Q64存儲芯片中，如果有則開門，并且記錄卡號與時間信息。沒有則蜂鳴器報警，提示外來人員。由于門禁設備分為室內與室外控制器，當室外通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，教室的人數(shù)就會增加1；同理，通過室內刷卡開門，人數(shù)就會減少1，通過控制器就可以計算出實時人數(shù)。然后是主控制器通過以太網(wǎng)模塊與網(wǎng)頁進行連接交互數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對門禁設備的管理，當W5500工作在客戶端模式時，網(wǎng)頁端應為服務器，門禁網(wǎng)頁通過W5500發(fā)出請求，等待室內主控制器響應，完成相應的需求。3.2網(wǎng)頁軟件設計。網(wǎng)頁軟件結構設計主要分為以下幾個部分，進行網(wǎng)頁的設計與功能的實現(xiàn)。（1）用戶信息管理，通過錄入事先讀取的校園卡卡號、附加信息（姓名、聯(lián)系方式以及班級信息等）以及卡號授權的時間戳，授權該卡號以后，該卡就可以作為門禁開鎖的鑰匙，只要校園卡靠近射頻卡模塊的感應器，門鎖就能打開；同時，可以記錄刷卡的時間以及其他附加信息。（2）記錄和查詢功能，系統(tǒng)會存儲所有的進出門信息，以便查詢，方便管理，對于某些實驗室，可以通過該功能實現(xiàn)打卡功能。（3）實驗室申請功能，可以查詢某個門禁實驗室的剩余申請個數(shù)，如果有申請條件，就對該實驗室進行申請。待管理員同意以后，便可以通過刷卡進入實驗室。（4）管理員審批功能，設置一個超級管理員，可以對用戶申請進行授權以及駁回。系統(tǒng)軟件結構設計圖如圖3所示。3.3軟件算法設計。在交互數(shù)據(jù)的同時，為了防止數(shù)據(jù)丟失、被篡改等，對有效數(shù)據(jù)進行了MD5算法加密。MD5算法又稱MD5信息摘要算法（MD5Message-DigestAlgorithm），它是一種的密碼散列函數(shù)，目前被廣泛使用，MD5算法的處理步驟可以概括為三步：數(shù)據(jù)填充、分組循環(huán)變換、拼接輸出。為了防止MD5碼被破解，網(wǎng)頁服務器與門禁客戶端傳送數(shù)據(jù)的雙方約定好一定的字符串秘鑰，這個秘鑰不體現(xiàn)在傳輸過程中（網(wǎng)絡傳輸有時是不可靠的），只是用于加密使用。首先準備待加密參數(shù)串a(chǎn)=1&b=2，然后拼接上字符串秘鑰key，得到a=1&b=2&key=444，這樣再用MD5去加密一下，得出sign。用這種加密方式，只要key不外傳，那么這個通訊就是可以認為安全的。如果sign不一致，數(shù)據(jù)傳輸無效；如果sign一致，則執(zhí)行相應請求。這是一種驗證數(shù)據(jù)合法性的有效方式，而且即使可以破解MD5算法，也不知道所加入的秘鑰，這是絕對安全的。這樣就可以很安全的通過網(wǎng)頁服務器對門禁客戶端進行增加門禁用戶權限、刪除用戶權限、查詢實時人數(shù)等操作。

基于以太網(wǎng)的門禁管理系統(tǒng)通過對比存儲芯片內的卡號信息以及時間戳獲得的驗證結果。通過以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)了嵌入式門禁控制器與門禁網(wǎng)頁間的數(shù)據(jù)交互，再通過門禁網(wǎng)頁管理人員可以對整個系統(tǒng)進行管理。本系統(tǒng)不僅提高了高校實驗室門禁智能化水平，提高了系統(tǒng)的安全性，而且可以進行有效的管理。系統(tǒng)各部分采用模塊化設計，提高了系統(tǒng)的適用性，可應用于多種的門禁系統(tǒng)。

作者:王康 潘為剛 單位:山東交通學院信息科學與電氣工程學院