随着物联网技术的快速发展，智能门禁系统作为安防领域的重要组成部分，正朝着网络化、智能化、集成化的方向演进。传统门禁系统多采用刷卡或密码方式，存在易丢失、易破解、管理不便等缺点。本文将详细阐述一种基于意法半导体（ST）STM32系列微控制器的嵌入式以太网门禁系统的设计方案，并重点介绍其计算机硬件开发的关键环节。该系统融合了以太网通信、射频识别（RFID）、生物特征识别（如指纹）等多种技术，旨在实现安全、可靠、便捷且易于远程管理的智能门禁解决方案。
一、系统总体架构设计
本系统采用分层、模块化的设计思想，整体架构可分为感知层、控制层、网络层和应用层。
- 感知层：负责采集身份认证信息，主要包括RFID读卡模块、指纹识别模块、键盘输入模块以及门状态检测传感器（如磁簧开关）。
- 控制层：以STM32微控制器为核心，作为系统的“大脑”。它负责协调各模块工作，处理感知层采集的数据，执行身份验证算法，并根据结果控制电锁驱动模块，同时处理与网络层的通信。
- 网络层：核心是以太网通信模块（通常采用集成MAC的STM32芯片外接PHY芯片，或使用集成PHY的串口转以太网模块）。该层负责将门禁事件（如刷卡记录、报警信息）上传至远程服务器或云平台，并接收来自管理端的远程控制指令（如远程开门、用户权限更新）。
- 应用层：包括部署在服务器或云端的门禁管理软件以及用户的移动APP。提供用户信息管理、权限分配、实时监控、历史记录查询与报表生成等功能。
二、核心硬件设计与选型
硬件系统是嵌入式门禁的物理基础，其稳定性和性能直接决定系统成败。
1. 主控单元（MCU）选型：
推荐选用STM32F4系列或STM32H7系列高性能微控制器。以STM32F407为例，其拥有Cortex-M4内核，主频高达168MHz，内置丰富的通信接口（如多个USART、SPI、I2C），并集成以太网MAC控制器，为多外设连接和网络通信提供了强大支持。其足够的Flash和SRAM资源能够轻松运行轻量级嵌入式操作系统（如FreeRTOS）和TCP/IP协议栈（如LwIP）。
- 以太网通信模块设计：
- 方案一（推荐）：采用STM32内置MAC + 外置PHY芯片（如LAN8720A、DP83848）。STM32通过RMII或MII接口与PHY芯片连接，PHY再通过网络变压器（HR911105A）连接至RJ45插座。此方案集成度高，性能稳定，成本可控。
- 方案二：对于资源紧张或开发周期短的项目，可采用串口转以太网模块（如W5500、CH395等硬件协议栈芯片）。STM32通过SPI接口与之通信，简化了网络协议处理，但灵活性稍逊。
- 身份认证模块：
- RFID读卡模块：选用基于ISO14443A协议的MFRC522或FM175xx系列读卡芯片，通过SPI接口与STM32连接，用于读取IC卡或NFC手机的UID信息。
- 指纹识别模块：选用成熟的光学或电容式指纹模块（如FPM10A），通常通过UART接口通信，模块内部完成图像采集、特征提取与比对，仅返回结果给STM32，减轻主控负担。
- 电锁驱动与电源管理：
- 电锁驱动电路需根据所选电锁类型（如电插锁、电磁锁）设计，通常采用大电流MOS管或继电器作为开关，由STM32的GPIO通过光耦隔离后进行控制，确保安全可靠。
- 电源管理需提供多路稳定电压：如3.3V（MCU、数字芯片）、5V（部分模块）、12V（电锁）。需考虑市电断电后的备用电池方案，确保系统关键数据和网络时钟不丢失，并能发送断电报警。
5. 人机交互与指示：
包括LCD显示屏（或OLED）用于显示状态信息、矩阵键盘用于输入密码、LED指示灯和蜂鸣器用于提供声光反馈。
三、硬件电路开发要点
1. PCB设计与电磁兼容（EMC）：
由于系统集成数字电路、射频电路和功率驱动电路，PCB布局布线至关重要。应遵循模拟/数字地分割、电源路径低阻抗、高速信号（如RMII）走线等长、时钟信号包地、射频电路远离干扰源等原则。在电源入口和关键芯片电源引脚处放置去耦电容，以提高系统抗干扰能力。
2. 接口保护与隔离：
所有外部接口（如网络口、读卡器天线接口、电锁控制线）均应设计防护电路，如TVS管、压敏电阻、共模电感等，防止静电（ESD）、浪涌和雷击损坏。电锁等大电流负载的控制线路必须与MCU的弱电电路进行光电隔离。
3. 可靠性设计：
加入看门狗电路（可使用STM32内部独立看门狗IWDG和窗口看门狗WWDG），防止程序跑飞。关键数据（如用户权限表）应存储在外置的EEPROM或FRAM中，防止意外丢失。
四、系统工作流程简述
- 用户通过刷卡、按指纹或输入密码之一或组合方式进行身份认证。
- STM32获取认证信息后，与本地存储的数据库进行比对，或通过以太网向远程服务器发起验证请求。
- 验证通过后，STM32控制电锁驱动电路打开电锁，并记录一条包含时间、用户ID、方式的开门日志。通过网络将日志上传至服务器。
- 管理员可通过管理软件实时查看门禁状态、远程控制门锁、批量下发或更新用户权限。
五、与展望
本文设计的基于STM32的嵌入式以太网门禁系统，充分利用了STM32的高性能、低功耗及丰富外设特性，结合稳定的以太网通信，实现了门禁系统的智能化与网络化管理。硬件设计注重模块化、可靠性与安全性，为软件功能的实现奠定了坚实基础。可进一步集成人脸识别模块、Wi-Fi/4G无线备份通信、以及与智能家居/楼宇自控系统的联动，从而构建更加安全、便捷、智慧的出入口管理生态系统。
