基于GPRS和RFID技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)

薛 琳 ，魏蘭磊 ，朱述川 ，于傳維

（1.山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省機(jī)器人與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590；3.兗州礦業(yè)集團(tuán) 東灘煤礦，山東 鄒城 273512）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，門禁管理系統(tǒng)不斷向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。但對(duì)于分散的小型企業(yè)和住宅小區(qū)來說，這些通用的門禁管理系統(tǒng)在布線和調(diào)試方面花費(fèi)了過多的物力、財(cái)力。針對(duì)這種情況，本文介紹一種基于GPRS和RFID技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)綜合了GPRS和RFID技術(shù),利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)門禁上位機(jī)對(duì)終端機(jī)的遠(yuǎn)程控制和交互數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)作為門禁身份識(shí)別方法，使門禁管理更安全方便。

1 門禁系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 門禁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該門禁系統(tǒng)由上位機(jī)和終端機(jī)兩部分組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

上位機(jī)由一臺(tái)裝有管理軟件的PC機(jī)和一臺(tái)管理機(jī)組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)IC卡的發(fā)放、銷毀,數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、管理、維護(hù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)下載，負(fù)責(zé)收集、記錄各終端機(jī)上傳的信息，并向各個(gè)終端機(jī)發(fā)送命令。終端機(jī)是門禁系統(tǒng)的直接動(dòng)作執(zhí)行部分，包括開/關(guān)門以及用戶的各種自助性服務(wù)。上位機(jī)和終端機(jī)之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

該門禁系統(tǒng)有三種開門方式：密碼開門、刷卡開門、手機(jī)/電話遠(yuǎn)程開門。密碼開門指住戶通過終端機(jī)的鍵盤輸入自設(shè)定的密碼開門；刷卡開門指住戶通過系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)放的IC卡開門；手機(jī)遠(yuǎn)程開門指訪客通過系統(tǒng)終端機(jī)處的鍵盤撥打綁定的住戶手機(jī)/電話，住戶驗(yàn)證訪客身份后，通過手機(jī)/電話的“*”鍵控制門鎖打開。

1.2 管理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)組成

管理機(jī)主要由：電源、GPRS模塊、外部存儲(chǔ)器、RS232串行通信接口、IC讀卡模塊組成。管理機(jī)的主要功能：讀取IC卡信息，協(xié)助上位機(jī)軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)；在PC機(jī)和終端機(jī)之間建立GRPS網(wǎng)絡(luò)橋梁，以便于PC機(jī)與終端機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互。

1.3 終端機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)各用戶來說，門禁控制系統(tǒng)最重要的就是終端機(jī)，本終端機(jī)主要包括以下幾個(gè)部分：電源為終端機(jī)電路提供不同等級(jí)的電壓；微控制器負(fù)責(zé)終端機(jī)系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理以及對(duì)各功能模塊的控制；IC讀卡模塊負(fù)責(zé)對(duì)IC卡實(shí)時(shí)讀取并將卡片信息上傳給CPU；GPRS模塊負(fù)責(zé)終端機(jī)與上位機(jī)、用戶手機(jī)/電話之間的信息交互；音調(diào)譯碼器根據(jù)接收到用戶手機(jī)/電話的按鍵音頻脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制；鍵盤顯示模塊為人機(jī)接口，主要用于訪客輸入房間號(hào)和密碼等信息；外部存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)用戶的相關(guān)信息；電磁鎖驅(qū)動(dòng)門的開關(guān)。終端機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 終端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)各個(gè)模塊的功能及性能要求，設(shè)計(jì)了各主要模塊的電路。

2.1 微控制器選擇

本設(shè)計(jì)選用新華龍公司的C8051F340為CPU[1]。該單片機(jī)有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)空間，4 532B的RAM，40個(gè)I/O口，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，雙串口。另外，單片機(jī)還具有體積?。? mm×9 mm）、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 GPRS模塊

為減少管理機(jī)和終端機(jī)之間的布線，充分利用現(xiàn)有的無線通信技術(shù)，管理機(jī)和終端機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互采用GPRS通信技術(shù)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)用戶能夠用手機(jī)/電話遠(yuǎn)程控制樓宇門的開關(guān)，利用了GPRS模塊的短信及語音等功能。

GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，能夠更加有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適用于間歇、非周期數(shù)據(jù)傳輸、少量的數(shù)據(jù)傳輸，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用。

GPRS模塊選用SIMCOM公司的SIM900B模塊，該模塊具有體積小、性能穩(wěn)定、自帶天線扣、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)的低功耗傳輸。SIM900B的電路連接如圖3所示。

U3為SIM卡，SIM900B通過自有的SIM卡接口為SIM卡提供電源并向其發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)SMS、呼叫等功能。D4～D7是為了防止靜電損害，在SIM卡座附近放置的瞬變電壓抑制二極管。

PWKEY管腳為SIM900B的使能端，軟件使該管腳拉低至少100 ms后，SIM900B進(jìn)入使能狀態(tài)，此時(shí)CPU可通過串口向SIM900B發(fā)送指令。

2.3 IC讀卡模塊

射頻識(shí)別 RFID[2](Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)交換。

RFID的實(shí)現(xiàn)包括RFID卡及讀卡器兩部分。

(1)射頻識(shí)別卡

對(duì)于本系統(tǒng)而言，考慮到安全性及功能的可擴(kuò)展性，選用了工作頻率為13.56 MHz的IC卡，Mifare One S50、S70、FM1208及其兼容卡片均可。

(2)讀卡器的設(shè)計(jì)

針對(duì)本系統(tǒng)所選的IC卡,以MF RC530作為讀卡芯片。MF RC530利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù),完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)天線（可達(dá)100 mm）。

為節(jié)省 I/O口資源，RC530與單片機(jī)采用 SPI方式連接，RC530應(yīng)用電路如圖4所示。TX引腳上的電感和電容組成低通濾波器，能夠很好地抑制13.56 MHz石英晶體振蕩器中的高次諧波。接收電路部分的VMID與RX引腳之間連接一個(gè)分壓器[3]。

2.4 電源模塊

分析系統(tǒng)的功耗及各功能模塊的電壓需求，整個(gè)系統(tǒng)需要5 V、4.2 V、3.3 V 3個(gè)電壓等級(jí)。可采用不同的降壓型電壓轉(zhuǎn)換芯片逐級(jí)降低系統(tǒng)的輸入電壓。整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓由220 V市電經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12 V供給系統(tǒng)使用。

第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用了LM2576單片集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)12 V→5 V的電壓轉(zhuǎn)換。該5 V電源為鍵盤顯示、蜂鳴器控制電路、電磁鎖控制電路以及作為后續(xù)4.2 V、3.3 V的電源輸入。

第二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用MIC29302實(shí)現(xiàn)5 V→4.2 V的轉(zhuǎn)換，主要是為SIM900B模塊供電。

第三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用AMS1117實(shí)現(xiàn)5 V→3.3 V的轉(zhuǎn)換，主要供給微控制器C8051F340、語音芯片AP89170等使用。

2.5 其他部分

系統(tǒng)鍵盤顯示部分采用專用的智能控制芯片HD7279A，以MT8870作為雙音多頻解碼芯片，實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)/電話按鍵音的解碼，遠(yuǎn)程開門的功能。

由于系統(tǒng)要存儲(chǔ)的信息量比較大，考慮體積、I/O口數(shù)量等因素，設(shè)計(jì)選用串行的AT45DB041D為外部存儲(chǔ)器。對(duì)本系統(tǒng)而言，該芯片可存儲(chǔ)3 000個(gè)用戶信息。

系統(tǒng)需要根據(jù)終端機(jī)的不同操作，發(fā)出相應(yīng)的提示語音。例如：“沒有此住戶”、“密碼錯(cuò)誤”等。提示語音時(shí)間短，對(duì)音質(zhì)要求不高，不需要重復(fù)錄制和擦除，系統(tǒng)選用OTP型的AP89170作為語音芯片。

電磁鎖的驅(qū)動(dòng)電路采用光耦PC817和功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF9530實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路對(duì)電磁鎖的隔離、驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括管理機(jī)、終端機(jī)及上位機(jī)軟件三部分。由于管理機(jī)的大部分功能的實(shí)現(xiàn)方法與終端機(jī)是相同(例如射頻卡讀卡子程序、SIM900B建立GPRS連接的子程序)，且子程序是通用的，從而采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

(1)終端機(jī)軟件流程

終端機(jī)軟件的總體設(shè)計(jì)思路：系統(tǒng)上電/復(fù)位開始運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及自檢。自檢成功后，蜂鳴器響一聲。讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)參數(shù)，判斷存儲(chǔ)器是否為空。為空，則初始化系統(tǒng)參數(shù)；非空，則計(jì)算出通話時(shí)長(zhǎng)、住戶數(shù)目、卡數(shù)目等。之后，程序進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中主要有四大部分：終端機(jī)對(duì)一些外部輸入信號(hào)的處理(如按鍵、IC卡等)，以及對(duì)接收到的管理指令（如增加住戶、刪除住戶等）的處理；終端機(jī)和管理機(jī)建立GPRS鏈接、進(jìn)行GPRS通信；管理機(jī)對(duì)終端機(jī)進(jìn)行串口管理。終端機(jī)軟件流程如圖5所示。

(2)上位機(jī)軟件

PC機(jī)的上位機(jī)軟件是系統(tǒng)重要的組成部分，是物業(yè)管理人員對(duì)門禁系統(tǒng)管理的最直接方式，人性化、操作簡(jiǎn)單是上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)最基本的要求。

基于各種軟件開發(fā)工具的優(yōu)缺點(diǎn)比較，及本系統(tǒng)在軟件功能上的具體要求分析，設(shè)計(jì)中采用Delphi 7.0作為上位機(jī)軟件開發(fā)工具[4]。

界面主要由管理員命令 （Admin）、操作員命令（Manager）、服務(wù)員命令（user）、串口設(shè)置、密碼管理以及退出菜單組成。為了提高門禁系統(tǒng)上位機(jī)軟件的安全性，軟件設(shè)置了3種不同操作權(quán)限的用戶類型：Admin、Manager及 User。

(1)Admin用戶擁有最高的管理權(quán)限。admin用戶可以進(jìn)行用戶管理、終端機(jī)管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)備份操作。Admin用戶可以增加用戶及修改用戶的類型，添加門禁終端機(jī)且對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、恢復(fù)。

(2)Manager用戶可以進(jìn)行住戶信息管理、IC卡發(fā)放管理等操作。

(3)User用戶僅擁有查詢數(shù)據(jù)以及報(bào)表打印等操作權(quán)限，不能進(jìn)行IC卡發(fā)放以住戶信息修改等操作。

該門禁系統(tǒng)上位機(jī)軟件具有較好的操作界面，符合Windows操作習(xí)慣，使用方便。

本文以新華龍公司的C8051F340為主控芯片，以 SIM900B為 GPRS模塊，以 IC卡為身份識(shí)別卡，設(shè)計(jì)了一個(gè)多種管理及操作方式的門禁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集無線網(wǎng)絡(luò)管理、短信管理及串口管理于一體，提供了密碼開門、刷卡開門、手機(jī)/電話遠(yuǎn)程開門等多種開門方式。該系統(tǒng)成本低，安裝、使用方便，安全可靠，易于推廣。

[1]新華龍電子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL]（2006-1）,www.xhl.com.cn.

[2]游戰(zhàn)清.無線射頻識(shí)別(RFID)與條碼技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]深圳吉盛科技有限公司.MF RC500匹配電路和天線的設(shè)計(jì)[EB/OL].(2005-2)，www.szjskj.com.

[4]王春紅.Delphi 7程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社,2004.