基于校園一卡通的門禁系統(tǒng)設(shè)計

袁夢覺，王 斌

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

門禁系統(tǒng)是一種涉及到電子、機械、計算機、通信等相關(guān)技術(shù)的新型現(xiàn)代化的出入口安全管理系統(tǒng)，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，它的應(yīng)用更加廣泛，并逐漸朝著識別更準(zhǔn)確、更智能的方向發(fā)展。單片機發(fā)展到現(xiàn)在，其性能不斷提高，功能不斷完善，而且具有價格低、功耗低、集成度高、速度快、體積小等特點，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集處理等領(lǐng)域[1]。校園一卡通作為在校師生必備的且具有唯一標(biāo)識的識別卡，具有多種綜合功能，可用于校園消費、身份認證等方面。因此，將校園一卡通和單片機結(jié)合在一起應(yīng)用于門禁系統(tǒng)中，使室外人員只需通過刷卡進行身份識別和驗證即可實現(xiàn)控制電子鎖開門與否。該系統(tǒng)利用校園一卡通作為有效的身份識別媒介和載體，在避免重復(fù)制作識別卡的同時，也進一步實現(xiàn)了校園一卡通的多功能性，更好地發(fā)揮其身份認證的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計需求和思路

門禁系統(tǒng)以安全為第一位原則，這就要求門禁系統(tǒng)不僅能夠穩(wěn)定運行，完成實驗室人員正常開門的功能，而且還能夠防護非實驗室人員的各種惡意操作，這些惡意操作主要包括胡亂按鍵、試探密碼和拆卸主控板等。針對上述情況，首先將門禁系統(tǒng)的主控板安裝在室內(nèi)，室外人員無法知道主控板的位置，再由單片機軟件程序來實現(xiàn)其他防護功能。

門禁控制系統(tǒng)以校園一卡通為身份識別媒介，其硬件系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為核心，通過Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路配合單片機的外部中斷，接收讀卡器發(fā)送的校園一卡通卡號信息數(shù)據(jù)，進行判別用戶身份，控制是否開門。此外，為了實現(xiàn)開門方式的多樣性，應(yīng)加入密碼開門方式，以備應(yīng)急需要。系統(tǒng)的軟件設(shè)計除了能實現(xiàn)正常開門的功能外，還應(yīng)增加一些對不正常操作的處理。因此，整個系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1）用戶通過刷卡或輸入密碼開門；

2）防止非真實用戶胡亂按鍵；

3）防止非真實用戶試探密碼；

4）使用看門狗定時器防止程序異常。

1.2 STC89C52RC單片機簡介

STC89C52RC單片機是宏晶科技有限公司推出的一款可靠性高、安全性高、價格低、功耗低的單片機。該單片機內(nèi)部有8 k的Flash，512 B的RAM，3個定時計數(shù)器，以及看門狗定時器。外部除了并行I/O口外，還有一個UART串口，2個外部中斷引腳。STC89C52RC單片機支持ISP在線下載程序，其內(nèi)部的Flash可反復(fù)擦寫10萬次以上。

STC89C52RC單片機的豐富資源完全滿足門禁系統(tǒng)的需求，其ISP在線下載程序的方法也極大的方便了開發(fā)人員，同時，它的高可靠性也為門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強有力的保障。

1.3 Wiegand 26協(xié)議

讀卡器與單片機之間通信采用Wiegand 26協(xié)議[2]，Wiegand協(xié)議是由摩托羅拉公司制定的一種國際上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，其中26-Bit是一個廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的門禁控制系統(tǒng)都接受Wiegand 26協(xié)議。

Wiegand數(shù)據(jù)輸出由兩根線組成，分別是DATA0和DATA1，兩根線分別輸出數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1，輸出數(shù)據(jù)0時，DATA0線上出現(xiàn)低電平，輸出數(shù)據(jù)1時，DATA1線上出現(xiàn)低電平。

Wiegand信號波形圖如圖1所示。

圖1 Wiegand信號波形圖Fig.1 Wiegand signal waveform figure

圖1中，當(dāng)DATA1數(shù)據(jù)位變?yōu)榈碗娖綍r，代表一位數(shù)據(jù)1，當(dāng)DATA0數(shù)據(jù)位變?yōu)榈碗娖綍r，代表一位數(shù)據(jù)0，低電平維持時間為 20～200 μs，兩個脈沖的時間間隔在 200 μs～200 ms之間。

Wiegand 26協(xié)議輸出格式為：

E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX O 二進制

第1位為2～13位的偶校驗位；

第2～9位對應(yīng)電子卡HID的低8位；

第10～25位對應(yīng)電子卡的PID號碼；

第26位為14～25位的奇校驗位；

以上數(shù)據(jù)從左到右順序發(fā)送，高位在前，低位在后。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

門禁系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示，主要包括STC89C52RC單片機模塊、Wiegand 26數(shù)據(jù)接收模塊和電子鎖驅(qū)動模塊3部分。

圖2 門禁系統(tǒng)的硬件組成框圖Fig.2 Hardware diagram of entrance guard system

2.1 STC89C52RC單片機模塊

STC89C52RC單片機[3]是整個門禁系統(tǒng)的核心，其最小系統(tǒng)[4]原理如圖3所示，包括復(fù)位電路、振蕩電路，以及門禁系統(tǒng)與讀卡器及電子鎖的接口。

其中P0.0和P0.1作為Wiegand數(shù)據(jù)輸入接口，P0.2作為控制讀卡器LED的接口，P0.3作為控制讀卡器蜂鳴器的接口，P0.4作為使能讀卡器接口，P0.5作為電子鎖控制接口，P3.2作為外部中斷使用，用于檢測Wiegand 26數(shù)據(jù)的到來與否。

圖3 單片機最小系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of MCU small system

2.2 Wiegand 26數(shù)據(jù)接收模塊

Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路是為了使單片機更準(zhǔn)確地接收Wiegand 26數(shù)據(jù)而設(shè)計的，因為如果采用查詢方式接收Wiegand 26數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)到來時若MCU正在處理其他任務(wù)，將可能會造成Wiegand 26數(shù)據(jù)丟失。因此，設(shè)計接收數(shù)據(jù)在單片機中斷程序中執(zhí)行，大大增加了數(shù)據(jù)接收的可靠性。其數(shù)據(jù)接收電路原理如圖4所示，Wiegand數(shù)據(jù)先經(jīng)過74LS375鎖存器，鎖存器的輸出端分別接單片機的P0.0和P0.1端口，同時鎖存器的輸出經(jīng)過74LS04與門連接到單片機的一個外部中斷引腳上。這樣，當(dāng)有一位數(shù)據(jù)進入時，就會觸發(fā)單片機的外部中斷，在單片機的外部中斷服務(wù)程序中判斷到來的數(shù)據(jù)是1還是0，并將數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的位數(shù)上，直至26位數(shù)據(jù)存儲完畢。

圖4 Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of wiegand 26 data receiving circuit

2.3 電子鎖驅(qū)動模塊

電子鎖驅(qū)動電路原理圖如圖5所示，繼電器采用一個NPN型三極管來驅(qū)動，當(dāng)三極管的基極處于高電平時，三極管工作在放大狀態(tài)，驅(qū)動繼電器吸合，繼電器吸合導(dǎo)致電子鎖的一端接到了12 V的電壓上，而另一端接地，實現(xiàn)了控制電子鎖開門。

圖5 電子鎖驅(qū)動電路原理圖Fig.5 Schematic diagrame of lectronic lock driving

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序設(shè)計、子程序設(shè)計和中斷服務(wù)程序設(shè)計。

1）主程序設(shè)計

主程序[5]是整個門禁系統(tǒng)的總控制程序，主程序流程圖如圖6所示，其中包括外部中斷、定時器以及其他外設(shè)的初始化，初始化后等待讀卡器數(shù)據(jù)輸入，由于刷卡數(shù)據(jù)位為26位，密碼數(shù)據(jù)位為24位，因此，在主程序中要區(qū)分刷卡和輸入密碼兩種開門方式。如果判斷為刷卡，則刷卡成功后判別卡號是否為室內(nèi)人員的卡，控制是否開門。如果判斷為輸入密碼，則等待用戶輸入密碼，用戶輸入密碼后判別密碼是否正確，控制是否開門。用戶刷卡失敗、卡號錯誤、密碼錯誤或者開門之后均會引起系統(tǒng)復(fù)位，重新等待數(shù)據(jù)輸入。

圖6 主程序流程框圖Fig.6 Flow diagram of main program

2）子程序設(shè)計

子程序包括初始化子程序，校驗用戶卡號或密碼子程序，電子鎖控制子程序，復(fù)位子程序等。

初始化子程序負責(zé)初始化定時器、外部中斷及電子鎖控制端，是保證系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。

校驗用戶卡號或密碼子程序是通過對讀卡器發(fā)送到單片機上的Wiegand 26數(shù)據(jù)進行解析得到相應(yīng)的卡號或密碼，并與單片機中存儲的室內(nèi)人員卡號或密碼比對，若有相同的卡號或密碼則返回TRUE，否則返回FLASE。

電子鎖控制子程序負責(zé)電子鎖的開啟，通過控制電子鎖驅(qū)動電路中三極管的基極控制端，給出相應(yīng)的電平來開啟電子鎖。

復(fù)位子程序就是當(dāng)用戶刷卡失敗、胡亂按鍵、卡號錯誤或密碼錯誤之后，復(fù)位相應(yīng)的數(shù)組、標(biāo)志位等。

3）中斷程序設(shè)計

當(dāng)中央處理器正在處理內(nèi)部數(shù)據(jù)時，外界發(fā)生了緊急情況，要求CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)去處理這個緊急事件，處理完畢后，再回到原來被中斷的地址，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷[6]。

采用中斷方式接收Wiegand數(shù)據(jù)，是為了保證接收到的Wiegand數(shù)據(jù)的完整性，使其不會因CPU正在處理其他任務(wù)而導(dǎo)致Wiegand數(shù)據(jù)的某一位或幾位丟失，其中DATA0或DATA1每來一次低電平引發(fā)一次單片機中斷，在中斷程序中查詢到來的數(shù)據(jù)是0還是1，然后存儲到相應(yīng)的位數(shù)上，每26次中斷代表一次數(shù)據(jù)讀取完成。

以下是中斷程序的核心代碼，因代碼較長，略去中間部分，中斷程序內(nèi)設(shè)置標(biāo)志位變量flag，初始值為1，每執(zhí)行一次中斷flag遞增1。例如，第一次執(zhí)行中斷時程序跳轉(zhuǎn)到case 1處，識別偶校驗位，并在存入偶校驗位后，flag遞增1，當(dāng)?shù)诙螆?zhí)行中斷時，程序跳轉(zhuǎn)到case 2處，判斷Wiegand 26數(shù)據(jù)當(dāng)前位是0還是1，如果為0則將Wiegand數(shù)組的最高位和0做與操作，如果為1則將Wiegand數(shù)組的最高位和1做或操作，flag繼續(xù)遞增1，以此類推，直至flag遞增到26，完成一次Wiegand 26數(shù)據(jù)的讀取，其中中間24位為相應(yīng)用戶的識別信息。

4 結(jié)束語

文中提出了一種基于校園一卡通和STC89C52RC單片機的門禁系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法借助于校園一卡通作為身份認證媒介，以STC89C52RC單片機為核心進行數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)了控制電子鎖的開啟。另外，還詳細闡述了該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及系統(tǒng)控制思想的設(shè)計。按照本文提出的方案設(shè)計實現(xiàn)的樣品，經(jīng)安裝在實驗室大門上進行實際測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)門禁系統(tǒng)運行但無法開門的現(xiàn)象，在方便實驗室人員進出的同時也提高了實驗室的安全性，有較高的應(yīng)用價值。

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[4]張毅剛.單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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