一．引言
在數(shù)字技術、網絡技術飛速發(fā)展的今天，門禁技術得到了迅猛的發(fā)展。門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，它已經逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)的發(fā)展在經歷了單一密碼鍵盤門禁系統(tǒng)、IC卡門禁系統(tǒng)、非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)，到現(xiàn)在最新的生物識別門禁系統(tǒng)。非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)由于其技術成熟、價格低廉、使用方便等優(yōu)異的性能，得到了廣泛的應用。某音樂學院琴房14層大廈300多個琴房，過去一直采用的管理辦法是學生在琴房管理中心登記領用鑰匙使用琴房。這種管理辦法存在著很多弊端，例如學生會私自配備琴房的鑰匙從而不通過琴房管理中心登記私自使用琴房，或者學生在退還鑰匙離開時不能保證琴房里已經無人。而且琴房內設備貴重的數(shù)百萬若有損壞難以確定損壞人，給學校的財產安全帶來隱患。因此給琴房的管理帶來了一定的難度。為了達到對琴房科學高效的管理，本文提出了一種聯(lián)機型的門禁控制系統(tǒng)的設計方案對整個樓的琴房進行集中控制、集中管理。
二． 系統(tǒng)結構
本文受國家自然科學基金(編號：60472044)和北京化工大學青年教師自然科學研究基金(編號：QN0518)資助。
系統(tǒng)采用分層次分布式集中控制方案，將所有門禁讀卡器組成一個分布式網絡，其組成如圖1所示。整個系統(tǒng)包括管理中心服務器、樓層PC、門禁讀卡器三個層次結構。
管理中心服務器是整個門禁系統(tǒng)的管理和控制中心，同時運行有琴房管理系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用支持網絡通訊的數(shù)據(jù)庫結構，方便功能的擴展。為了達到對所有琴房進行統(tǒng)一管理的目的，使用琴房的學生要用學生一卡通在管理中心通過琴房管理系統(tǒng)登記分配琴房，并將學生個人信息存入數(shù)據(jù)庫。使用后要在管理中心通過琴房管理系統(tǒng)退還房間，以便考勤及查詢。通過管理系統(tǒng)程序可以清晰的查詢到每個房間的使用狀態(tài)、進出記錄等。
樓層PC上運行門禁控制服務程序，是負責門禁讀卡器與管理中心服務器溝通的橋梁。門禁控制服務程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能，實現(xiàn)RS485和TCP/IP通訊協(xié)議的轉換，本身并不直接控制門禁讀卡器的動作。向上通過局域網以TCP/IP協(xié)議與管理中心服務器進行通訊，傳遞門禁讀卡器的刷卡請求和管理中心的服務器的各種控制命令。向下通過485總線通過輪尋的方式與門禁讀卡器進行信息的交互。記錄從門禁讀卡器采集的數(shù)據(jù)的采集時間，如
圖1 系統(tǒng)結構圖
如果長時間不能和管理中心服務器通訊，一定時間后丟棄掉過時的讀卡數(shù)據(jù)。門禁控制服務僅具有進行后臺數(shù)據(jù)交換和轉發(fā)功能，除了進程啟動和停止外，沒有和用戶交互的信息，設計作為Windows系統(tǒng)的服務進程運行，而不需要設計和用戶的交互界面，僅產生運行日志文件即可。
三． 門禁讀卡器設計
系統(tǒng)以學生的非接觸式IC卡校園一卡通作為系統(tǒng)的用戶卡，非接觸式IC卡是根據(jù)電磁感應原理產生的，只需將卡片放在門禁讀卡器的感應區(qū)之內就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，且不易損壞。因此在公交、門禁、校園、企事業(yè)人事管理等方面有著廣泛的應用。PHILIPS公司的Mifare卡是現(xiàn)在非接觸式IC卡市場的主流產品，其典型型號為Mifare 1 S50，它有1K的EEPROM用于存放數(shù)據(jù)，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都有自己獨立的密碼，完善的安全機制，使Mifare1 S50具有一卡多用的特性。Mifare卡是一種智能卡（smart card），嵌有中央微處理器(MCU)和ASIC等，使其安全保密性、認證邏輯、算術運算等微操作控制有序進行[1]。
1. 工作原理
非接觸式IC卡門禁讀卡器以射頻識別技術為核心，主要使用了一片Mifare卡專用的讀寫處理芯片MFRC530。它是一個小型的、最大操作距離達10厘米的Mifare卡射頻基站，其功能包括調制、解調、產生射頻信號、安全管理和防沖撞機制。內部結構分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內含調制解調器和電源供電電路，直接與天線連接。接口區(qū)有與單片機相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、64B的數(shù)據(jù)緩沖器、存放3套寄存器初始化文件的EEPROM、存放16套密鑰的只寫存儲器以及進行三次驗證和數(shù)據(jù)加密的密碼機制、防沖撞處理的防沖撞模塊和控制單元。這是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫Mifare卡的關鍵接口[2]。
門禁讀卡器工作時，與Mifare卡專用的讀卡芯片MFRC530相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(13.56M)，當有非接觸式IC卡靠近時，卡片內有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器的發(fā)射頻率相同。這樣在電磁波的激勵下，諧振電路產生共振，從而使電容充電而產生電荷。在電容另一端，接有一個單向導電的電子泵將電容內的電荷送到另一個電容內存儲。當電容充電達到2V時，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收門禁讀卡器發(fā)來的數(shù)據(jù)并保存[3]。本系統(tǒng)中當有卡進入射頻天線感應區(qū)內時，門禁讀卡器讀得非接觸式IC卡的卡號，并將所讀卡號及刷卡的時間發(fā)送給樓層PC同時將其存入存儲器FM24C256，并在LCD顯示器上顯示服務信息。沒有卡進入門禁讀卡器天線感應區(qū)時，MCU讀實時時鐘芯片中的時間，并在顯示器上顯示當前時間及日期。
2. 硬件組成
每個門禁讀卡器都相當于一個智能的節(jié)點，它能獨立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、判斷卡類型、實時監(jiān)控刷卡動作、控制電磁門鎖和報警器、設置門禁號等一系列的操作。門禁讀卡器的硬件部分主要包括監(jiān)測和控制部分、聲光報警電路、RS485接口電路、存儲、時鐘顯示部分、門禁號設置部分、看門狗及復位電路、射頻基站部分。電路的硬件框圖如圖2所示[4]。
圖2 門禁讀卡器系統(tǒng)組成
采用意法半導體公司(STMicroelectronics)公司STC89C53RC單片機作MCU，即常用的MCS-51系列單片機，它具有良好的溫度特性、穩(wěn)定性和性價比。內置15K的Flash存儲器 和512字節(jié)RAM，具有3個16位計數(shù)器和一個標準的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下載。
門禁號設置電路采用8位并入串出的移位寄存器芯片74HC165配合兩個4位撥碼開關構成8位的設置門禁號單元。系統(tǒng)上電后74HC165將并行數(shù)據(jù)以串行移位的方式發(fā)送給MCU將其作為在485網絡中通訊的本機ID號。
射頻基站部分采用了飛利浦公司的MFRC530芯片，MFRC530是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊。它根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調制得到發(fā)送的信號，通過由TX1，TX2腳驅動的天線以電磁波的形式發(fā)出去，非接觸式IC卡采用RF場的負載調制進行響應。天線拾取非接觸式IC卡的響應信號經過天線匹配電路送到RX腳，MFRC530內部接收緩沖器對信號進行檢測和解調并根據(jù)寄存器的設定進行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上等待MCU讀取。MCU與MFRC530采用SPI總線方式進行通訊，可實現(xiàn)與非接觸式IC卡數(shù)據(jù)的無線傳輸。
有卡進入感應區(qū)刷卡時需要記錄刷卡的時間，可用外接硬件實時時鐘芯片的辦法為系統(tǒng)提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時也能正常計時。本設計選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302，是美國DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專用芯片，采用3線串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)通信：SCLK作為時鐘輸入，SDA作為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，RST作為通訊允許信號。其內部寄存器地址中00H~06H分別對應存放秒、分、時、日、月、星期及年信息的寄存器，07H為寫保護控制寄存器，08H為電池充電控制寄存器。時鐘數(shù)據(jù)以BCD碼格式存放在00H～06H這7個寄存器中。
系統(tǒng)存儲部分采用了RAMTRON INTERNATIONAL 公司生產的一種鐵電存貯器(FRAM) FM24C256，是一個256kbit的FRAM, 存儲器內部被邏輯組織為32768 ×8 字節(jié)存儲方式，地址空間為0000～7FFFH。其總線頻率可高達1MHz，具有10億次以上的讀寫次數(shù)且功耗很低，與外部接口采用工業(yè)標準IIC 總線。由于MCU不具有IIC 總線接口，因此采用P2.3 和P2.4口線來模擬IIC 總線, FM24C256的SDA和SCL為開漏輸出，故接10kΩ的上拉電阻。
監(jiān)測部分實時監(jiān)測門、鎖狀態(tài)和通訊的狀態(tài)，并對長時間的異常狀態(tài)作出報警；控制部分主要負責執(zhí)行上位機的各種控制信息，如執(zhí)行開鎖、執(zhí)行報警等；LCD顯示部分選用以 ST7920為控制器的128×6帶漢字庫的液晶模塊，用以顯示時間日期及各種服務信息，作為人機交互的界面。為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，選用MAXIM 公司的MAX813L作為系統(tǒng)的硬件看門狗。
3. 軟件設計
門禁讀卡器的程序包括：MFRC530對Mifare卡操作的程序、MCU與MFRC530通信中斷處理程序、485通信中斷處理程序、讀寫時鐘及LCD顯示程序、獲得門禁號程序、檢測門和鎖狀態(tài)程序及存儲器讀寫程序等。主程序流程圖如圖3所示。
對卡操作的過程是一個很復雜的程序執(zhí)行過程，要對MFRC530內部一系列的寄存器進行配置，而且這些操作對時序要求非常嚴格。對非接觸式IC卡的典型操作為：尋卡（得到卡類型代碼）、防沖突（得到卡號）、選卡、驗證密碼、讀寫操作、掛起并且這些操作必須按固定的順序執(zhí)行。因為門禁讀卡器只需要得到卡片卡號，故只執(zhí)行尋卡、防沖突、掛起就可達到要求，對卡類型判斷后將卡號通過樓層PC發(fā)送到服務器，由服務器來判斷卡是否合法。在沒有卡進入射頻天線有效范圍時，在LCD顯示當前時間及日期，當有卡進入到射頻天線的有效范圍時，LCD上顯示卡號并顯示“請稍候……”等服務信息。
圖3 門禁讀卡器主程序流程
四． 結束語
本文將射頻識別理論應用到門禁控制領域，采用多層網絡型系統(tǒng)結構，提出了一種以單片機為核心，配合射頻基站MFRC530及單片機外圍電路的非接觸式IC卡門禁讀卡器硬件和軟件設計。該門禁系統(tǒng)已成功應用于某音樂學院的琴房管理系統(tǒng)。實踐表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性好。
參考文獻：
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[3]李乃瑋，黃靜，郭勇.非接觸IC卡讀寫模塊MFRC530的工作原理及其應用[J].電子器件，2003，6-2:159-162
[4]孫穎，張敬敏，張志佳.一種基于 MF RC500的mifare1卡讀寫器的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2006，2-2: 6-9
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