智能保密柜嵌入式控制系统的设计与实现

0 引言
    许多关键部门的涉密介质都集中锁在金属保密柜中，由专人管理，采用密码方式、感应卡方式或指纹识别方式开锁，手工登记重要物品的取用和归还等使用情况。这种管理模式存在人为因素的安全隐患和记录信息不够详细等缺点，若能实现对物品的智能管理，自动记录物品日志，势必能提高保密柜管理的质量和效率。
    本文基于工业级AT91SAM9260处理器设计了一个智能保密柜嵌入式控制系统。系统采用指纹比对进行物品权限的管理，拍照系统自动记录物品出入情况，系统具有报警功能。该系统嵌入了高性能、多任务的实时操作系统Linux，该操作系统具备源代码开放，内核体积小，占用系统资源少等优点，保证了系统的可靠性和实时性。

1 系统硬件设计
1．1 智能保密柜硬件结构
    智能保密柜系统由上位PC和下位智能保密柜组成，其硬件结构如图1所示。

    上位PC机可对下位智能保密柜的状态和物品记录信息等进行查询。下位智能保密柜由智能控制计算机、双屏读写器、摄像头、指纹仪、状态灯、数字键盘、振动传感器、电控锁和报警器等部件组成，其功能如下：摄像头用于对保密柜使用人员进行抓拍操作；刷卡器用于保密柜使用人员可刷卡打开相应权限的柜门；指纹读头用于提供更高级别的生物权限管理柜门；数字键盘用于当保密柜使用人员拥有多柜门权限时，输入柜门号；显示屏用于显示操作结果；报警器用于当发生非法操作时报警；双频读写器用于采集涉密载体上双频标签的数据；振动传感器用于传感柜体振动信号，防止非法入侵；智能控制计算机用于控制柜内所有设备，保证智能保密柜能够脱离上位机独立运行。
    物品使用者在借出和归还物品前，先通过指纹采集器输入指纹，中央控制系统通过指纹比对和相应授权信息开启柜门，同时摄像头对使用者进行拍照。使用者此时可以取出和归还物品，当关闭柜门后，中央控制系统启动RFID读写器采集柜内物品信息，并与前次信息对比，自动得出使用者该次操作借出和归还的物品；最后中央控制系统将开门时间、使用者图像、借出和归还物品等相关信息记录到存储区。管理员可以通过上位PC随时查询物品借出和归还的详细记录。该系统还提供非正常情况下的报警功能，以提高安全性。
1．2 硬件电路层
    该系统中央控制硬件电路逻辑如图2所示。

    中央处理器选用Atmel公司的AT91SAM9260芯片，它基于ARM926EJ-S内核的32位处理器，工作频率为190 MHz，指令运行速度为210 MIPS，内带8 KB指令和8 KB的数据高速缓存，8 KB的SRAM和32 KB的ROM，可在处理器与总线速度之间单周期访问。具有丰富的外围接口，包括USB全速HOST和Device接口、10M／100M BaseT、以太网MAC、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、4个通用同步／异步收发器(USART)、2个两线异步收发器(UARTs)、主／从串行外围接口(SPI)，以及1个三通道16 b定时控制器(TC)、2个两线接E1(TWI)、4个10 b ADC、3个32 b并行I／O控制器，外设采用DMA通道。
    上位PC通过RJ-45接口电路接入ARM的UART1口，双频读写器、刷卡器、数字键盘和指纹仪接入RJ-45接口电路，再分别接入ARM的UART2-5口，摄像头通过USB口连接ARM的USB主机端口。ARM输出的电控锁和报警器控制信号，经过ULN2003A运放芯片控制直流小继电器，驱动电控锁和报警器工作。振动传感器通过74L804反相输出到ARM的输入I／O管脚。NANDFLASH直接与ARM的I／O管脚连接。

2 嵌入式操作系统
    该系统由内向外可分操作系统层、任务层和硬件电路层三层，如图3所示。嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，它组织多个任务共享嵌入式系统的资源。常见的嵌入式实时操作系统有Window CE，VxWorks，μC／OS-Ⅱ，Linux等，后两种操作系统免费公开源代码。

2．1 嵌入式操作系统方案选择
    为了选择合适的嵌入式操作系统，本文对开源的μC／OS-Ⅱ与Linux操作系统的进程调度、文件系统支持和系统移植等因素进行了分析比较，因为这是设计、应用、移植嵌入式操作系统中的关键。
    (1)进程调度
    进程调度是操作系统协调调度系统中多任务对计算机系统内部资源的争夺使用。作为实时操作系统，μC／OS-Ⅱ采用可剥夺型实时多任务内核，它在任何时候都运行已就绪的最高优先级任务。μC／OS-Ⅱ最多可以支持64个任务，它通过就绪任务表寻找最高优先级任务，并进行任务切换。

    中央处理器选用Atmel公司的AT91SAM9260芯片，它基于ARM926EJ-S内核的32位处理器，工作频率为190 MHz，指令运行速度为210 MIPS，内带8 KB指令和8 KB的数据高速缓存，8 KB的SRAM和32 KB的ROM，可在处理器与总线速度之间单周期访问。具有丰富的外围接口，包括USB全速HOST和Device接口、10M／100M BaseT、以太网MAC、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、4个通用同步／异步收发器(USART)、2个两线异步收发器(UARTs)、主／从串行外围接口(SPI)，以及1个三通道16 b定时控制器(TC)、2个两线接E1(TWI)、4个10 b ADC、3个32 b并行I／O控制器，外设采用DMA通道。
    上位PC通过RJ-45接口电路接入ARM的UART1口，双频读写器、刷卡器、数字键盘和指纹仪接入RJ-45接口电路，再分别接入ARM的UART2-5口，摄像头通过USB口连接ARM的USB主机端口。ARM输出的电控锁和报警器控制信号，经过ULN2003A运放芯片控制直流小继电器，驱动电控锁和报警器工作。振动传感器通过74L804反相输出到ARM的输入I／O管脚。NANDFLASH直接与ARM的I／O管脚连接。

2 嵌入式操作系统
    该系统由内向外可分操作系统层、任务层和硬件电路层三层，如图3所示。嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，它组织多个任务共享嵌入式系统的资源。常见的嵌入式实时操作系统有Window CE，VxWorks，μC／OS-Ⅱ，Linux等，后两种操作系统免费公开源代码。

2．1 嵌入式操作系统方案选择
    为了选择合适的嵌入式操作系统，本文对开源的μC／OS-Ⅱ与Linux操作系统的进程调度、文件系统支持和系统移植等因素进行了分析比较，因为这是设计、应用、移植嵌入式操作系统中的关键。
    (1)进程调度
    进程调度是操作系统协调调度系统中多任务对计算机系统内部资源的争夺使用。作为实时操作系统，μC／OS-Ⅱ采用可剥夺型实时多任务内核，它在任何时候都运行已就绪的最高优先级任务。μC／OS-Ⅱ最多可以支持64个任务，它通过就绪任务表寻找最高优先级任务，并进行任务切换。