Вступление
Ранее, в предыдущих статьях, я рассказывал о бизнес-процессах, которые можно закрыть различными решениями нашего программного обеспечения, однако настало время рассказать о разработке “железа”, а именно терминале, который способен служить 2 целям - контролю доступа и учету рабочего времени в связке с нашей системой учета рабочего времени.
Историю можно начать с того, что наша компания очень долгое время сотрудничает со всемирно известной сетью фастфудов - KFC (на территории Беларуси и Украины). Головной болью такой сферы, как HoReCa, был и будет учет рабочего времени сотрудников. Учитывая огромную текучку кадров, в том числе и обычных студентов, которые пришли подработать на непродолжительное время, становится сложно проконтролировать, сколько часов отработано тем или иным сотрудником. Плюс немаловажным моментом стало то, что сотрудники часто перемещаются с ресторана на ресторан, а это требует дополнительного контроля. Как же быть?
Нашей компанией было принято решение разработать терминал учета рабочего времени, который бы регистрировал рабочие (или не рабочие) интервалы рабочего времени сотрудников с привязкой к конкретному месту работы. При этом нужна была поддержка нескольких видов идентификаторов - биометрия по отпечатку пальцев, RFID и PIN с возможностью фотофиксации событий доступа.
Поэтому был придумал предельно простой и быстрый сценарий действий на терминале:
Прийти на рабочее место, подойти к терминалу и пройти идентификацию (приложить палец, карту к считывателю или ввести PIN)
Выбрать на тачскрине «Работа», после чего отправиться на свое рабочее место и приступить к работе
При необходимости перерыва – подойти к терминалу, пройти идентификацию, выбрать «Перерыв»
При возвращении на рабочее место - подойти к терминалу, пройти идентификацию, выбрать «Работа»
По окончанию рабочей смены – подойти к терминалу, пройти идентификацию и выбрать «Завершить работу».
То есть все события должны были фиксироваться на терминале, после чего все данные “залетали” бы на облако системы рабочего времени TARGControl. И там, административным персоналом, формировались табели и отчеты по объектам (ресторанам), что позволило бы корректно начислять заработную плату сотрудникам.
Разработка
Имея на руках техническое задание, была разработана структурная и функциональная схема. Далее пошло самое интересное: мы начали рассматривать различные варианты одноплатных компьютеров, которые бы смогли обеспечить нужный функционал терминала. Среди вариантов были следующие компьютеры: Banana Pi M4, Orange Pi PC+, ODROID-C4, NanoPi M4 и Raspberry PI Computer Module 3+. Произведем небольшое сравнение данных моделей.
| Banana Pi M4 | Orange Pi PC+ | ODROID-C4 | NanoPi M4 | Raspberry PI CM3+ |
|---|---|---|---|---|---|
Память | Слот MicroSD с поддержкой расширения до 256 ГБ и флэш-память eMMC 8 ГБ с поддержкой до 64 ГБ | TF-карта (макс. 32 ГБ) / слот для карты eMMC 8 ГБ флэш-память EMMC | 1x разъем EMMC (доступно 8/16/32/64 ГБ) 1 слот Micro SD | нет встроенной eMMC, но есть разъем eMMC, | 8 GB eMMc + поддержка 1 слота microSD |
RAM | 1 GB DDR4 (опционально 2 GB) | 1GB DDR3 | 4GB DDR4 | Двухканальный 2GB DDR3-1866 | 1GB LPDDR2 SDRAM |
CPU | Realtek RTD1395 ARM Cortex-A53 Quad-Core 64 Bit 1.8 GHz | H3 Quad-core Cortex-A7 1.2 GHz | Amlogic S905X3 Quad-Core Cortex-A55 ARMv8.2-A 64-bit 1.5GHz | RK3399 - Cortex-A72 + Quad Core Cortex-A531.8 GHz | Broadcom BCM2837B0 с четырьмя ядрами Cortex A53 1.2 GHz |
GPU | Mali 470 MP4 GPU OpenGL ES 1.1/2.0 | Mali400MP2 GPU 600MHz | Mali-G31, поддержка OpenGL ES 3.2 и API Vulkan последнего поколения | Mali-T864，поддержка OpenGL ES1.1/2.0/3.0/3.1, OpenCL, DX11 и AFBC | Broadcom VideoCore IV |
Сеть | Ethernet 10/100/1000 Мбит / с | 10/100 Ethernet RJ45 | RJ45 Ethernet порт (10/100/1000) | Порт Gbps Ethernet | 10/100 для подключения маршрутизатора или коммутатора с функцией PoE |
После детального изучения и анализа цены (все модели находились в примерно одном ценовом диапазоне на момент их анализа - 2019 год), мы все же пришли к выводу, что лучше всего подойдет Raspberry PI Computer Module 3+. Почему Raspberry ? Да, некоторые характеристики уступают конкурентам, однако главным преимуществом стало то, что по Raspberry банально больше поддерживаемых библиотек и лучше техническая поддержка, т.к Raspberry на рынке с 2012 года и вокруг него сформировалось активное комьюнити.
Решение со встроенной памятью eMMC, предусмотренное в CM3, позволяет не использовать флеш-карту в качестве носителя ОС. Большое количество циклов перезаписи eMMC повышает надежность и срок службы памяти по сравнению с флеш-картами. При этом мы зарезервировали разъем для SD карт. Сразу можно сказать, что заявленной памяти для терминала хватает с лихвой, ибо сохраняемые события весят от силы пару килобайт. Что касается хранения фотографий, то здесь все сложнее: программно мы поставили ограничение в 5000 фото, но так как у нас зарезервирована флеш-карта, то данный лимит можно расширить до приемлемого значения.
Разработку управляющей платы мы начали с организации необходимых питающих напряжений. На нашей плате нам необходимо было обеспечить 3 значения напряжений: 5.0В, 3.3В и 1.8В. Внешний источник питания у нас 12В 3А. Для получения 5В и 3.3В мы использовали схему на основе широтной импульсной модуляции. Для источника питания 1.8В мы задействовали линейный понижающий преобразователь. Это выглядит, примерно, следующим образом.
Исходя из схемы видно, что для электрической части терминала была организована схема защиты питания от короткого замыкания и переполюсовки.
Отметим также и схему защиты питания внешних считывателей, представленную ниже.
То есть если закоротить питание, считыватель уйдет в защиту (питание считывателя отключится), а терминал продолжит работу. Номиналы резисторов R51 и R52 задают выходной ток. Изменяя номинал резистора R51 можно менять ток ограничения в значительных пределах (у нас стоят заданные на схеме номиналы исходя из рассчитанной нами нагрузки).
Питание мы организовали, самое время перейти к периферии.
К слову, Raspberry поддерживает UART-интерфейс и 2 USB версии 2.0. Через один из доступных USB мы решили организовать доступ к Ethernet с помощью микросхемы LAN9514 . Второй USB используется для подключения периферии, например индикатор алкоголя. Также задействовав GPIO для подключения кнопок, электромагнитных замков, защёлок, алкостестера в дискретном режиме работы и картаприемников.
У CM3 на борту всего 2 UART. Один нам пригодится для организации интерфейса RS-485, а второй - debug. Поэтому мы использовали микросхему FT4232HL, для увеличения количества интерфейсов. У нее есть входной интерфейс USB, который поддерживает связь с LAN9514, он же в свою очередь коннектится с CM3.
Вот теперь у нас стало больше на целых 4 UART’a (задействуем всего 2). Один используется для подключения биометрического модуля отпечатков пальцев от южнокорейского производителя Suprema-SFM6020-OP6-8M/16M (8M - 5К отпечатков, 16М- 25К отпечатков).
Второй для подключения карточного модуля 7941D (поддерживает 2 частоты Emarine (125 кГц) и Mifare (13,56 МГц).
Один из выделенных UART, как и планировали, мы задействовали под RS-485, позволяющий подключать внешние карточные или биометрические считыватели, а также передавать информацию во внешние системы при необходимости интеграции. Схема 485-го представлена ниже.
В этой схеме мы прибегли к некоторым хитрым схемотехническим решениям, объединив и подключив линии RE и DE через транзистор, что позволило нам автоматизировать на аппаратном уровне переключение режимов приема/передачи.
Что касается интеграции с другими системами традиционным для СКУД способом, для передачи минимальной информации у нас организован выходной Wiegand. Есть и два входных Wiegand'а для подключения внешних считывателей. Ниже представлены их электрические принципиальные схемы.
Немаловажным моментом будет, что терминал имеет 2 реле для управления замком, турникетом или шлагбаумом. Рассмотрим данный момент на примере подключения турникета (стандартная ситуация для СКУД). Есть два режима управления турникетом, потенциальный режим и импульсный. При потенциальном режиме управления для разблокировки турникета в направлении «А» срабатывает выход «L1 OUT» (в направлении «В» выход «L2 OUT»). При окончании данного времени или при совершении прохода выходной сигнал возвращается в исходное состояние.
В импульсном режиме для разблокировки выхода «L1 OUT» и «L2 OUT» срабатывают кратковременно, посылая управляющий импульс на турникет (обычно 0,2-0,3 секунды). При получении импульса турникет разблокируется в соответствующем направлении на время 5 секунд либо пока не будет совершен проход в данном направлении.
Для контроля прохода в направлении «А» или направлении «В» используются две линии, на которые контроллер турникета выдает импульсные сигналы при совершении прохода в том либо другом направлении. Данные импульсные сигналы подключаются к входам «SENS1» для прохода в направлении «А» и «SENS2» для прохода в направлении «В».
Например, для работы с турникетами PERCo в контроллере должен быть установлен импульсный режим управления. Для этого время срабатывания сигналов «L1 OUT» и «L2 OUT» должно быть установлено в пределах от 0,2 до 1 секунды.
Как описано в самом начале статьи, по нашему техническому заданию, на терминале должна была быть организована фотофиксация, поэтому решили выбрать камеру от Raspberry, которая в терминалах имеет 2 исполнения:
RPi D - 72.4 градуса обзор, 5 mpx, размер камеры 25x24 мм (старое исполнение).
RPi G - 160 градусов обзор, 5 mpx, размер камеры 25x24 мм (теперь используем только этот вариант).
Выбирая дисплей, выбор снова пал на знакомый бренд - 7-ми дюймовый touch-screen от Raspberry с разрешением 800x480 и DSI интерфейсом.
Исходя из размеров дисплея, считывателя и общей компоновки плат, были определены габариты корпуса для терминала - 210 x 173 x 44. Корпус решено было сделать цельнометаллическим алюминиевыми с гальваническим покрытием, что обеспечивало хотя бы минимальную вандалоустойчивость. Дисплей, конечно же, так не защищен.
Собрав все воедино мы получили терминал данного вида.
Немного отклоняясь от темы, можно сказать, что мы были обмануты Raspberry, когда они в 4-ом поколении Compute Module поменяли форм-фактор и мы уже не смогли его просто заменить в нашей текущей плате и были вынуждены переходить на новое поколение путем разработки новой платы, но об этом в следующих статьях.
На данный момент с 2019 года нашей компаний было продано более 500 терминалов данной модели, а это показывает, что решение оказалось весьма успешным и надежным. В данной статье я коснулся лишь одной части - железа, однако большая работа была проделана и над прошивкой терминала. В следующей статье я расскажу, как реализована программная часть терминала. В случае возникновения вопросов или критических замечаний, прошу последовать в комментарии для бурного обсуждения!
