Разработка автоматизированной системы контроля и доступа к объектам на платформе ардуино

Основной программе остается лишь объявить объекты классов и вызывать соответствующие методы в соответствующих секциях программы.
Отдельно остановимся на программной реализации обмена данными с сервером по протоколу UART. Процедуры обмена помещены в отдельный модуль Net.ino, включенном в проект. Процедура NetUpdate() вызывается в основном цикле loop() с частотой выполнения этого цикла для обеспечения непрерывного прослушивания порта. В случае обнаружения в порту данных программа проверяет их валидность: соответствие длины команды, наличие стартового байта и предназначенность пакета данных конкретно данному контроллеру. В случае успешной проверки вызывается процедура NetParseCommand(), выполняющая разбор команды. В зависимости от того, какому устройству предназначена команда вызывается процедура выполнения команды для этого устройства: NetCommandLed() – для устройств Led-типа и NetCommandButton() – для датчиков Button-типа. В зависимости от того, какая команда поступила от сервера вызывается тот или иной метод класса TLed или TButton. Это может быть включение, выключение или запуск «циклической» команды для Led-устройств. Список возможных команд приведен на Рисунок 3.1.

Рисунок 3.1. Список команд при обмене между сервером и контроллером
При получении команды «4» (запрос состояния) по конкретному устройству программа отправляет в ответ серверу пакет того же формата, но в параметре № 1 пакета сообщается состояние устройства или датчика: для Led -устройства или Button-датчика – состояние, а для аналогового датчика температуры – температуру.
Программа контроллера состоит из 4 файлов:
Skud.h – заголовочный файл проекта, обхявление констант и объектов классов;
Skud.ino – основной файл проекта, функции setup() и loop();
Net.h – заголовочный файл подпрограммы обмена данными с сервером, объявление констант;
Net.ino – процедуры обмена данными с сервером.
Реализация программы верхнего уровня
В среде «Visual Studio C#» основной частью программного модуля является форма[16]. Форма включает в себя элементы интерфейса оператора и программный код. «Visual Studio C#» формирует для формы класс, который включает в себя компоненты, находящиеся на форме, а также свойства и методы. В разработанном АИС имеется главная форма (ГФ) «FMain» - контейнер MDI, форма авторизации «FReg», форма работы с таблицами «FTreeGrud», форма печати пропусков – «FRepCard», форма выбора периода для журнала «FSetupPeriod», форма выбора порта «FSetup» и форма редактирования таблиц «FEdit».


Рисунок 3.2 Модули приложения

Главная форма ИС «FMain», из нее вызываются все другие формы. Форма включает в себя главное меню и панель с кнопками «быстрого запуска». Также в данном модуле организован постоянный обмен с контроллерами «Ардуино»

Рисунок 3.3 Макет главной формы приложения «FMain»


Рисунок 3.4 Макет формы «FReg»

В этой форме оператор выполняет авторизацию, ему дается возможность внести «логин» и «пароль», модуль выполняет проверку наличие оператора в БД и при положительном прохождении проверки позволяет работать в ИС. Если оператор не прошел авторизацию ему доступна только кнопка «Выход».


Рисунок 3.5 Макет формы «FTreeGrid»

«FTreeGrid» является основной формой просмотра таблиц БД. В качестве главного параметра, получаемого формой, является ссылка на класс «ClassTable».


Рисунок 3.6 Класс «ClassTable»

Рисунок 3.7 Класс «ClassTable» продолжение

Класс «ClassTable» включает в себя полное описание таблицы, ее полей, а также содержит методы для работы с таблицами.
Класс «ClassField» содержит описание полей таблицы, а также методы для работы с ними.


Рисунок 3.8 Класс «ClassField»


Рисунок 3.9 Макет формы «FSetupPeriod»

Форма «FSetupPeriod» предназначена для задания периода отбора для журнала «Посещения» и вызывается из формы «FTreeGrid».

Рисунок 3.10 Макет формы «FEdit»

Форма «FEdit» используется при редактировании таблиц БД в виде диалога.


Рисунок 3.11 Форма «FRepCard»
Форма «FRepCard» применяется для печати пропусков.




Рисунок 3.12 Форма «FSetup»
Форма «FSetup» применяется при настройки порта для соединения с контроллерами «Ардуино».
В состав АИС также входят модули: «Office.cs», «DM.cs», «Program.cs».
Модуль «Program.cs» включат в себя главную точку входа для ИС.
Модуль «DM.cs» используется для работы с БД и её таблицами. Модуль включает в себя два класса «iniSettings» и «DM». Класс «iniSettings» требуется для хранения строки подключения к СУБД. Данные класса сохраняются в файл с настройками.


Рисунок 3.13 Класс «iniSettings»

В классе «DM» выполняется проверка наличия БД и ее таблиц и при необходимости создаются новые БД и таблицы. При первом запуске ИС проводится настройка подключения к СУБД. В классе «DM» выполняется выборка данных из таблиц БД и задается описание всех полей.


Рисунок 3.14 Класс «DM»

Рисунок 3.15 Класс «DM» окончание

Модуль «Office.cs» включает в себя класс «Office» для работы с «MS Excel». Класс реализует функции:
подключение к «MS Excel»;
вывод данных и формул в «MS Excel»;
оформление выведенных данных;
работа с массивами данных;
работа с шаблонами отчетов.


Рисунок 3.16 Класс «Office»


Рисунок 3.17 Класс «Office» продолжение


Рисунок 3.18 Класс «Office» окончание



Реализация обмена данными
Реализация обмена данными по разработанному протоколу делится на две части: реализация обмен в резидентной программе контроллера и реализация в программе верхнего уровня.
Для работы с интерфейсом UART в Ардуино есть встроенный класс Serial. Использование методов этого класса значительно облегчает разработку процедур обмена данными по  последовательному порту. Класс считывает данные с контроллера UART и записывает их в буфер. Это происходит по прерыванию от контроллера UART, незаметно для основной программы. Передача данных также происходит под управлением класса Serial. Для этого достаточно загрузить данные в программный буфер – дальше контроллер ГФКЕ все сделает сам.
В программе верхнего уровня необходимо указать порт обмена с контроллерами «Ардуино». Данная настройка сохраняется в файл конфигурации и больше не спрашивается. Затем выполняется запуск обмена через пункт главного меню «Arduino \ Запустить обмен». В результате выполняется процедура BeginPort().


Рисунок 3.19 Процедура, запускающая обмен с контроллерами «Ардуино»
В этой процедуре задаются параметры обмена с портом, задается функция (public void DataReceivedHandler (object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)) вызываемая при получении данных из порта и происходит открытие порта.


Рисунок 3.20 Считывание данных из порта и их разбор
Данные считываются из порта, проверяется их правильность, происходит запись данных в журнал архива. Затем данные анализируются и при необходимости (например при считывании «proximity - карты» открывается замок) отправляется команда контроллеру «Ардуино».
При выходе из программы открытый порт закрывается.

Методика настройки и конфигурирования системы
В своей работе АИС использует СУБД «MS SQL Server Express». При запуске АИС в модуле «DM» выполняется проверка существования БД и в при ее отсутствии выполняется ее создание. Строка подключения к СУБД берется из файла «CheckPoint.xml». При первом запуске ИС оператору дается возможность внести данные подключения к СУБД и физическое место расположения БД. Для оператора предлагается заполнить данные диалогов, указанных на рисунках подраздела .


Рисунок 3.21. Предупреждение о настройке системы

Рисунок 3.22. Диалог «Свойства канала передачи данных» вкладка «Поставщик данных»

Поставщиком данных для ИС является «MS SQL Server».

Рисунок 3.23. Диалог «Свойства канала передачи данных» вкладка «Соединение»
На этой вкладке вносится источник данных и способ входа в СУБД. У оператора «Windows» д.б. административные права для СУБД и ОС. После заполнения данных требуется нажать кнопку «Проверить соединение» в случае ошибки проверить правильность внесенной информации.
После проведения первичной настройки параметры подключения пишутся в файл «CheckPoint.xml», хранящийся в каталоге запуска ИС, и при последующих запусках ИС читаются оттуда.
При необходимости изменить параметры подключения к БД требуется удалить файл «CheckPoint.xml». При следующем запуске ИС она вновь выдаст оператору окно диалога настроек подключения к СУБД.

Апробация результатов работы
Запуск ИС выполняется путем запуска на исполнение файла «CheckPoint.exe» любым доступным в ОС способом. После этого на экране появится форма авторизации. По умолчанию для авторизации в ИС «логин» 1, пароль 1.


Рисунок 4.1 Форма регистрации

После авторизации на экране отображается главная форма ИС, через которую осуществляется доступ ко всем ее функциям.


Рисунок 4.2. Главная форма приложения

Главное окно ИС, помимо обычных элементов окна «Windows», таких как рамка, заголовок, кнопки минимизации, максимизации, и т.д., включает в себя элементы: главное меню, рабочую область приложения, строку состояния.
Главное меню дает оператору доступ ко всем функциям ИС и состоит из пунктов: «Файл», «Справочники», «Документы», «Отчеты», «Arduino» и «Окна».
Основным справочником ИС является справочник «Физические лица». Для его отображения вызывается форма просмотра и изменения через пункт главного меню «Справочники / Физические лица». Окно представлено на рисунке.


Рисунок 4.3. Форма просмотра и редактирования физических лиц

Данная форма универсальная для всех справочников ПП. Опишем ее функции, доступные через кнопки «быстрого» доступа.
Кнопка «Новый» используется при внесении новой записи в таблицу. При этом, если для текущего справочника предусмотрена специальная форма ввода и редактирования записи, то вызывается именно эта форма, в которой все поля пустые и оператору дается возможность их внести. Если специальной формы не предусмотрено, то ввод и редактирование записи выполняется непосредственно в ячейках таблицы, представляющей справочник.
Кнопка «Изменить» используется для изменения текущей записи. Так же как и при внесении новой записи, если для справочника предусмотрена специальная форма ввода/редактирования записи – то вызывается эта форма, в которой все поля заполнены данными текущей записи справочника. Иначе изменение данных выполняется непосредственно в ячейках таблицы.
Кнопка «Удалить» используется для удаления текущей записи из справочника. При этом выполняется проверка – если на удаляемую запись имеется ссылка в других таблицах, то выводится соответствующее уведомление и удаление отменяется.
Кнопка «Копировать» используется для создания копии текущей записи.
Кнопка «Обновить» используется обновления данных формы из БД.
Кнопка «Фильтр» используется для отбора записи по текущему значению данных в текущей ячейке.
Кнопка «Вкл./Выкл.дерева» - включает/выключает разнесение записей справочника по группам дерева.
Кнопка «Подчиненные таблицы» дает возможность просматривать и изменять подчиненные элементу справочники.


Рисунок 4.4 Выбор подчиненных справочников

Кнопка «Поиск» дает возможность осуществлять поиск в текущем столбце по введенной строке. Для выполнения контекстного поиска требуется набрать строку поиска и нажать кнопку «Поиск».
Кнопка «Печать» используется для экспорта текущего списка в ПП «MS Excel».
Кнопка «Отбор», присутствует только для таблицы «Книги» позволяет вызывать форму с настройками сложного отбора.
Сортировка записей выполняется двойным «щелчком» мыши по заголовку столбца.
Кнопка «Выход» требуется для закрытия формы списка.
Для посетителей и сотрудников можно задать шаблон пропуска, фотографию, а также любой другой электронный документ. Для выполнения данной операции в выборе подчиненных справочников выбирается «Хранилище документов».

Рисунок 4.5 Хранилище документов

Редактировать данные физических лиц (ФЛ) можно в форме диалога, при этом в табличной части находятся доступные для ФЛ «proximity - карты». Данные таблиц можно редактировать как в самом списке, так и в диалоге путем нажатия правой клавиши мыши для вызова контекстного меню.

Рисунок 4.6 Редактирование в форме диалога
Благодаря кнопке «Печать» можно вывести в ПП «MS Excel» данные изменяемого элемента.


Рисунок 4.7 Экспорт данных элемента справочника в «MS Excel»

Данные порта для связи с контроллерами «Ардуино» можно задать через меню «Файл / Настройки».
Данные контроллеров «Ардуино» с их настройками можно менять через пункт меню «Справочники / Структура организации / Устройства доступа».


Рисунок 4.8 Устройства доступа

Для устройств доступа можно указать разрешенные «Proximity - карты».


Рисунок 4.9 Редактирование устройства доступа и разрешенных «proximity - карт»

Настраивать простые справочники можно использовав пункт меню «Справочники / Дополнительные справочники / Настройки простых справочников.


Рисунок 4.10 Настройки простых справочников

Настроенные простые справочники можно использовать как дополнительные характеристики к «основным» справочникам. Логическое поле «Дерево» показывает, будет ли новый простой справочник с «древовидной» структурой или нет. Логическое поле «Нельзя удалять» говорит о возможности проблем при удалении некоторых простых справочников.
При выборе в контекстном меню «Подчиненные таблицы» пункта «Характеристики» вызывается форма с текущими характеристиками элемента.
В поле «Значение» характеристики выбирается значение из любого предложенного на выбор простого справочника.
После выбора нужного простого справочника на экране отображается форма с записями этого справочника.
В результате выбора значения из простого справочника у текущего элемента справочника появится новая характеристика.
Также для «основных» справочников можно прописать дополнительные свойства. Для этого требуется выбрать в контекстном меню «Подчиненные таблицы» пункт «Дополнительные свойства».
Затем выбирается вид свойства, для этого вызывается форма «Виды свойств» для выбора.
Затем для выбранного вида свойств подбирается или сначала вносится, а затем выбирается присущее этому виду свойств значение.
В результате элементу «основного» справочника будет назначено характеризующее его дополнительное свойство.
Список любого справочник можно выгрузить в ПП «MS Excel» согласно установленным отборам и сортировкам. Для этого требуется нажать кнопку «Печать».


Рисунок 4.11 Экспортированный список в «MS Excel»

Пункт меню «Группы» в контекстном меню списка дает возможность менять вершину текущего элемента списка.


Рисунок 4.12 Изменение вершины элемента списка

Для внесения пользователей, которые имеют право работать с АИС, используется форма «Пользователи». Для вызова формы требуется выбрать пункт главного меню «Файл / Пользователи». Внешний вид формы отображен на рисунке.


Рисунок 4.13. Форма списка пользователей АИС

Работа с другими справочниками ИС выполняется аналогичным образом.
Для запуска обмена с контроллерами «Ардуино» используется пункт ГМ «Adruino / Запустить обмен». Происходит открытие порта и название порта на панели инструментов подсвечивается красным цветом. Данные журнала событий можно увидеть через пункт ГМ «Arduino / Журнал доступа».


Рисунок 4.14 Журнал доступа
Печать пропусков осуществляется через пункт «Отчеты / Печать пропуска».


Рисунок 4.15 Настройка печати пропусков



Рисунок 4.16 Результат печати пропуска

Выход из ИС осуществляется выбором пункта меню «Файл \ Выход», нажатием комбинации клавиш «Alt+F4» или нажатием на крестик в правом верхнем углу программы.

Заключение
Целью выпускной квалификационной работы (ВКР) является оценка эффективности работы системы контроля и управления доступом на базе микроконтроллера «Arduino» с модулем «RFID-RC522».
В начале ВКР был проведен анализ общих принципов построения СКУД, доказана необходимость разработки системы а также проведено обоснование выбора и описана платформа разработки.
В процессе работы были изучены основные особенности платформы Ардуино, характеристики контроллера «Arduino UNO R3», изучены особенности работы с цифровыми и аналоговыми входами данного контроллера и работы с аналогово-цифровым преобразователем этого контроллера.
Изучены особенности использования модуля считывателя «proximity - карт» «RFID-RC522» и датчиков сигнализации.
Открытие замка, при поднесении верной «proximity - карты», производится при помощи реле. Изучены особенности работы с ним.
Все элементы системы были сведены в единую схему.
Далее для этой схемы была написана программа в среде «Arduino IDE». Ряд функций выведен в отдельный параллельный процесс, периодически запускаемый по прерыванию от аппаратного таймера. В основной программе происходит лишь общее управление программным процессом.
Большинство датчиков и устройств в программе реализованы при помощи классов, которые скрывают в себе все особенности работы с этими объектами и предоставляют основной программе программный интерфейс работы с ними.
Для разработки программы верхнего уровня выбран ПП «Visual Studio C#». Выбор обоснован надежностью ПП, прочной связью с ОС, гибкостью платформы, являющейся основой ПП, значительным перечнем возможностей, предоставляемых ПП для решения самого обширного круга задач. В качестве СУБД был выбран ПП «MS SQL Server».
Разработанная АИС функционирует в ОС «MS Windows 7» или в более новых ОС данного семейства.
Было выполнено проектирование БД и проектирование информационной модели разрабатываемой системы. Были разработаны дерево функций и сценарий диалога АИС.
Проведенное тестирование показывает, что разработанная АИС полностью выполняет поставленную задачу, работает стабильно, обладает гибкой функциональностью и продуманным интерфейсом. Обмен данными с контроллерами «Ардуино» проходит верно, в обе стороны. Таким образом, подтверждается версия, высказанная во введении к работе, что использование микроконтроллеров семейства Arduino вполне оправдано для разработки сложных профессиональных устройств автоматики, телемеханики и робототехники. Применение таких микроконтроллеров никак не снижает их функциональности и надежности, зато сильно удешевляет как разработку, так и стоимость конечного изделия.


Список использованной литературы.
Массимо, Б. Arduino для начинающих волшебников / Б. Массимо - М.: VSD, 2015. - 128 с.
Эванс, Б. Arduino блокнот программиста / Б. Эванс - London: CUP, 2017. - 40 с
МакРобертс, М. Начала Arduino / М. МакРобертс - London: CUP, 2014. - 459 с
Аппаратная платформа Arduino. [Электронный ресурс]. - http://arduino.ru
Джереми Блум. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства – Спб.: БХВ-Петербург, 2015. – 336 с.
Ревич Ю.В. Азбука электроники. Изучаем Arduino – М.: АСТ Кладезь, 2017. – 224 с.
Петин В.А. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things + исходные коды – М.: НТ Пресс, 2017, 338 с.
Брайан Керниган, Деннис Ритчи. Язык программирования С. 2-е изд. 2016 год. 304 стр.
Бьёрн Страуструп. Язык программирования C++ = The C++ Programming Language / Пер. с англ. — 3-е изд. — СПб.; М.: Невский диалект — Бином, 2015. — 991 с. — 3000 экз. — ISBN 5-7940-0031-7 (Невский диалект), ISBN 5-7989-0127-0 (Бином), ISBN 0-201-88954-4 (англ.).
Бьёрн Страуструп. Программирование: принципы и практика использования C++, исправленное издание = Programming: Principles and Practice Using C++. — М.: Вильямс, 2014. — С. 1248. — ISBN 978-5-8459-1705-8.
Бьёрн Страуструп. Дизайн и эволюция C++ = The Design and Evolution of C++. — СПб.: Питер, 2017. — 445 с. — ISBN 5-469-01217-4.
ШнайдерД.А. Подход к оперативному анализу эффективности теплоснабжения зданий / Д.А. Шнайдер, В.В. Абдуллин, А.А. Басалаев. ВестникЮУрГУ. Серия Компьютерные технологии, управление и радиоэлектроника. – 2016. – Выпуск 13. – №2 (219). – С. 70–73
Давиденко Ю.Н., 500 схем для радиолюбителей. Современная схемотехника в освещении. Эффективное электропитание люминесцентных, галогенных ламп, светодиодов, элементов "Умного дома" (+ CD-ROM) / Ю.Н. Давиденко. - М.: Наука и техника, 2018. - 470 c.
Дементьев Андрей, «Умный» дом XXI века / Андрей Дементьев. - М.: Издательские решения, 2016. - 139 c.
Елена Владимировна Тесля, «Умный дом» своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире / Елена Владимировна Тесля. - М.: Питер, 2018. - 717 c.
Зиборов В.В. «Visual C# на примерах» СПб.: BHV - БХВ-Петербург, 2014
Культин Н. Б. «Microsoft Visual C# в задачах и примерах.» — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. — 320 с.
ГОСТ Р 51241-98. Средства и системы контроля и управления доступом. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. – 24 с.
Крахмалев А.К. Системы контроля доступа – 2010 // Системы безопасности, связи и телекоммуникаций. – 2000. – № 32. – С. 26 – 29.
Волхонский В.В. Системы охранной сигнализации. – СПб.: Экополис и культура, 2011. – 164 с.
Волхонский В.В. Системы контроля и управления доступом. Модель, структура, методы идентификации // БДИ. Безопасность, достоверность, информация. – СПб., 2011. – "№ 4. – С. 18 – 20.
Абрамов А.М., Никулин О.Ю., Петрушин А.Н. Системы управления доступом. – М.: ОБЕРЕГ – РБ, 2008. – 192 с.
Барсуков В.С., Водолазкий В.В. Современные технологии безопасности. – М.: Нолидж, 2013. – 496 с.
Иванов А.И. Биометрическая идентификация личности по динамике подсознательных движений: Монография. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. – 188 с.













ПКГ4.15.02.07.ДР.ПЗ

19

Лист

Дата

Подпись

№ документа

Лист

Изм.