Entwurf und Implementierung eines Gebäudezugangskontrollsystems basierend auf einem Ein-Chip-Mikrocontroller

1. Einführung

• Ziel: Entwurf und Implementierung eines sicheren und effizienten Gebäudezugangskontrollsystems unter Verwendung eines Ein-Chip-Mikrocontrollers (SCM).

• Anwendungsbereich: Das System steuert den Zugang zu einem Gebäude durch Authentifizierung der Benutzer mittels RFID-Karten, Keypads oder biometrischen Methoden und protokolliert Ein- und Austrittsereignisse.

2. Systemanforderungen

• Funktionale Anforderungen:

  • Benutzerauthentifizierung über RFID-Karten, Keypad oder Fingerabdruck.

  • Gewährung oder Verweigerung des Zugangs basierend auf der Authentifizierung.

  • Protokollierung von Ein- und Austrittsereignissen mit Zeitstempeln.

  • Administrationsoberfläche zum Hinzufügen/Entfernen von Benutzern und zum Anzeigen von Protokollen.

• Nicht-funktionale Anforderungen:

  • Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit.

  • Geringer Stromverbrauch.

  • Benutzerfreundliche Oberfläche.

  • Skalierbarkeit für zukünftige Erweiterungen.

3. Systementwurf

• Hardware-Komponenten:

  • Ein-Chip-Mikrocontroller (SCM): z.B. AT89C51, STM32 (z.B. STM32F103VET6) oder ESP32.

  • RFID-Lesegerät: Zum Lesen von RFID-Karten.

  • Keypad: Zur Eingabe von PINs.

  • Fingerabdrucksensor: Zur biometrischen Authentifizierung.

  • LCD-Display: Zur Benutzerinteraktion und Anzeige des Systemstatus.

  • Summer: Zur akustischen Rückmeldung (z.B. Zugang gewährt/verweigert).

  • Relaismodul: Zur Steuerung der Türsperre.

  • EEPROM/Flash-Speicher: Zur Speicherung von Benutzerdaten und Protokollen.

  • Stromversorgung: 5V/12V DC-Stromversorgung.

• Software-Komponenten:

  • Firmware: Geschrieben in C oder Assembler für den SCM.

  • Authentifizierungsalgorithmus: Zur Überprüfung der Benutzeranmeldeinformationen.

  • Protokollierungssystem: Zur Aufzeichnung von Zugangsereignissen.

  • Administrationsoberfläche: Zur Systemverwaltung (kann eine einfache Terminaloberfläche oder eine angeschlossene PC-Anwendung sein).

4. Systemarchitektur

• Blockdiagramm:

   

   

  +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
  |   RFID-Lesegerät  |       |   Keypad          |       | Fingerabdrucksensor|
  +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
          |                         |                         |
          v                         v                         v
  +---------------------------------------------------------------+
  |                      Ein-Chip-Mikrocontroller                 |
  |                                                               |
  |  +-------------------+       +-------------------+             |
  |  | Authentifizierungs|       | Protokollierungs- |             |
  |  | Algorithmus       |       | system            |             |
  |  +-------------------+       +-------------------+             |
  |                                                               |
  +---------------------------------------------------------------+
          |                         |                         |
          v                         v                         v
  +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
  |   Relaismodul     |       |   LCD-Display     |       |   Summer          |
  +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
          |
          v
  +-------------------+
  |   Türsperre      |
  +-------------------+

5. Implementierung

• Hardware-Implementierung:

  • Schließen Sie das RFID-Lesegerät, Keypad, Fingerabdrucksensor, LCD-Display, Summer und Relaismodul an den SCM an.

  • Stellen Sie eine ordnungsgemäße Stromversorgung und Erdung sicher.

  • Verwenden Sie Pull-up/Pull-down-Widerstände, wo notwendig.

• Software-Implementierung:

  • Initialisierung: Initialisieren Sie alle Peripheriegeräte (RFID, Keypad, Fingerabdrucksensor, LCD usw.).

  • Hauptschleife:

    • Warten Sie auf Benutzereingaben (RFID-Karte, Keypad-Eingabe oder Fingerabdruck).

    • Authentifizieren Sie den Benutzer.

    • Wenn authentifiziert, aktivieren Sie das Relais, um die Tür zu entsperren, und protokollieren Sie das Ereignis.

    • Wenn nicht authentifiziert, verweigern Sie den Zugang und protokollieren Sie das Ereignis.

  • Administrationsoberfläche:

    • Ermöglichen Sie dem Administrator, Benutzer über das Keypad oder einen angeschlossenen PC hinzuzufügen/zu entfernen.

    • Ermöglichen Sie dem Administrator, Protokolle anzuzeigen.

• Code-Ausschnitte:

  c

   

  // Beispiel: RFID-Authentifizierung
  void authenticateRFID() {
      char rfid[12];
      readRFID(rfid);
      if (checkDatabase(rfid)) {
          unlockDoor();
          logEvent("Zugang gewährt", rfid);
      } else {
          denyAccess();
          logEvent("Zugang verweigert", rfid);
      }
  }
  
  // Beispiel: Keypad-Authentifizierung
  void authenticateKeypad() {
      char pin[4];
      readKeypad(pin);
      if (checkPIN(pin)) {
          unlockDoor();
          logEvent("Zugang gewährt", "Keypad");
      } else {
          denyAccess();
          logEvent("Zugang verweigert", "Keypad");
      }
  }

6. Tests und Validierung

• Unittests: Testen Sie einzelne Komponenten (RFID, Keypad, Fingerabdrucksensor usw.).

• Integrationstests: Testen Sie das System als Ganzes, um sicherzustellen, dass alle Komponenten zusammenarbeiten.

• Sicherheitstests: Stellen Sie sicher, dass das System gegen unbefugten Zugriff geschützt ist.

• Leistungstests: Testen Sie die Reaktionszeit und Zuverlässigkeit des Systems.

7. Fazit

• Das entworfene Zugangskontrollsystem ist effizient, sicher und skalierbar.

• Zukünftige Erweiterungen könnten drahtlose Konnektivität (Wi-Fi/Bluetooth), Integration mobiler Apps und cloudbasierte Protokollierung umfassen.

8. Referenzen

• Datenblätter für den SCM, RFID-Lesegerät, Fingerabdrucksensor usw.

• Relevante Literatur zu Zugangskontrollsystemen und Embedded-System-Design.

Dieser Entwurf bietet einen umfassenden Ansatz zur Gestaltung und Implementierung eines Gebäudezugangskontrollsystems unter Verwendung eines Ein-Chip-Mikrocontrollers. Die tatsächlichen Implementierungsdetails hängen von den spezifischen Komponenten und Anforderungen des Projekts ab.