小區(qū)門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬 國 帥，李 寶 營，祁 建 廣

(大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)，逐漸被人們重新認(rèn)知并得到普遍的重視。作為一種自動(dòng)ID識(shí)別技術(shù)，RFID的工作原理是利用射頻信號(hào)通過空間耦合(電磁感應(yīng)或電磁傳播)，實(shí)現(xiàn)無接觸信息目標(biāo)并得到目標(biāo)物的ID信息以做到識(shí)別目的物。感應(yīng)卡的優(yōu)點(diǎn)在于便于隨身攜放，安全有保障，不易損壞，有較強(qiáng)的抗干擾性，并且允許多卡同時(shí)進(jìn)行操作，能在各種不同的情形條件下使用，相比于磁卡和接觸式IC卡更讓業(yè)主安心。本設(shè)計(jì)將整個(gè)小區(qū)內(nèi)的公用的門進(jìn)行集中管理，采用RFID技術(shù)進(jìn)行身份、權(quán)限的識(shí)別，使每個(gè)業(yè)主用一卡可以開任何自己權(quán)限的門，為“小區(qū)”的管理提供了新的技術(shù)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體描述

圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[1]。每個(gè)門都有一個(gè)終端機(jī)控制，整個(gè)系統(tǒng)通過RS485總線連接在一起，通過終端機(jī)采集到門的狀態(tài)，上傳到PC機(jī)，通過PC管理整個(gè)系統(tǒng)。IC卡在發(fā)行給各用戶后，具有電子鑰匙開門功能，將IC卡在IC卡讀卡器前感應(yīng)，門棟門鎖自動(dòng)打開。首先將必要的信息如開門權(quán)限、用戶姓名等記錄到MF1卡固定位置，讀卡機(jī)讀出卡內(nèi)信息，根據(jù)具體協(xié)議進(jìn)行開門等操作，PC機(jī)通過查詢方式得到每個(gè)門的狀態(tài)。

如圖2所示，終端機(jī)采用AT89S52單片機(jī)做處理器，通過SPI總線和門外讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信采集卡內(nèi)容，判斷是否執(zhí)行開門動(dòng)作，通過RS485通信模塊接收PC機(jī)的命令，如掛失操作，把接收到的卡號(hào)存入存儲(chǔ)器模塊用作以后開門的判斷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system architecture

圖2 終端機(jī)功能框圖Fig.2 Block diagram of terminal feature

1.2 處理器和讀卡器電路

處理器和讀卡器電路如圖3所示。采用AT89S52單片機(jī)為控制器，處理器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的主要控制器，完成MF1卡識(shí)別、數(shù)據(jù)處理和發(fā)出控制命令等功能。MF1卡通過讀卡器讀卡后，決定該卡是否為本系統(tǒng)已注冊(cè)的有效卡，該卡是否有進(jìn)出入該門禁的權(quán)限，并將讀到的卡信息傳送給門禁控制器，從而控制電磁鎖是否開啟。接收PC機(jī)發(fā)送過來的命令，執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖3 處理器和讀卡器電路Fig.3 Processor and card reader circuit

讀卡器電路采用讀卡芯片F(xiàn)M1702為核心，上電后通過各管腳電平自動(dòng)識(shí)別通信方式，設(shè)計(jì)采用SPI方式。讀卡器電路功能是采集MF1卡內(nèi)容，通過SPI總線傳送給處理器模塊。在每一次上電或硬件復(fù)位后，F(xiàn)M1702會(huì)復(fù)位微處理器接口處理模塊，并且通過檢測控制管腳上的電平來設(shè)置，F(xiàn)M1702SL的SPI接口符合標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口協(xié)議，并且只作為slave使用。SPI(Serial Peripheral Interface——串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。

1.3 232／485轉(zhuǎn)換電路和存儲(chǔ)器電路

圖4為232／485轉(zhuǎn)換電路和存儲(chǔ)器電路圖。PC機(jī)與485總線接口電路采用硬件485電平轉(zhuǎn)換。RS232電平規(guī)定邏輯“1”為－5～－15V；邏輯“0”為＋5～＋15V。本設(shè)計(jì)采用MAX232芯片把PC機(jī)的232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過MAX485芯片轉(zhuǎn)換成485信號(hào)[2]。

圖4 RS232／485轉(zhuǎn)換電路和存儲(chǔ)器電路Fig.4 RS232／485conversion circuit and storage circuit

MAX485是通過2個(gè)引腳RE(2腳)和DE(3腳)來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng)RE為低電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng)DE為高電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在半雙工使用中，通?？梢詫⑦@2個(gè)腳直接相連，然后由PC或者單片機(jī)輸出的高低電平就可以讓MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。由于本電路DTR和RTS都用于了電路供電，因此使用TX線和MAX232的另外一個(gè)通道及Q1來控制MAX485的狀態(tài)切換。平時(shí)MAX232的9腳輸出高電平，經(jīng)Q1倒相后，使MAX485的RE和DE為低電平而處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAX232的9腳輸出低電平，經(jīng)Q1倒相后，使MAX485的RE和DE為高電平而處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。存儲(chǔ)器電路實(shí)現(xiàn)掛失／激活等操作，每當(dāng)控制器接收到掛失／激活指令時(shí)，控制器會(huì)把接收到的卡號(hào)存入／刪除。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)內(nèi)容，分別是前端數(shù)據(jù)采集讀卡程序設(shè)計(jì)和終端機(jī)主程序設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖5所示[3]。前端數(shù)據(jù)采集讀卡程序主要是權(quán)限協(xié)議認(rèn)證過程。權(quán)限協(xié)議是將數(shù)據(jù)塊4的前10個(gè)字節(jié)用作權(quán)限，每個(gè)門都定義一個(gè)門號(hào)，10個(gè)字節(jié)一共80位，每位控制一個(gè)門，“0”代表可以開門，“1”代表沒有開門權(quán)限。第11、12字節(jié)用作用戶代號(hào)。通過對(duì)讀取的卡內(nèi)容進(jìn)行辨析，判斷是否有權(quán)限。終端機(jī)主程序是終端機(jī)在對(duì)各模塊初始化結(jié)束后，一直處于尋卡狀態(tài)，當(dāng)有符合權(quán)限的卡接近時(shí)，執(zhí)行開門動(dòng)作。終端機(jī)通過接收PC的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，采用多機(jī)通信方式，利用M2位。首先尋址，再發(fā)數(shù)據(jù)。幀格式如下：PC機(jī)為尋址＋命令＋內(nèi)容＋數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)＋結(jié)束符號(hào)0FFH；終端機(jī)接收后返回接到數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。命令如下：01H為查詢門狀態(tài)，終端機(jī)返回上次接到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)＋01H(門開狀態(tài))或02H(門關(guān)狀態(tài))；02H為開門命令，終端機(jī)返回上次接到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，并執(zhí)行開門命令；03H為改密命令，終端機(jī)返回上次接到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，并執(zhí)行改密程序；04H為修改卡內(nèi)容命令；05H為發(fā)新卡命令。

圖5 讀卡程序和終端機(jī)主程序流程圖Fig.5 Flow chart of reader program and terminal main program

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)完成了小區(qū)一卡通的門禁系統(tǒng)的底層硬件設(shè)計(jì)。對(duì)射頻技術(shù)的研究，通過閱讀FM1702芯片文檔和MF1卡的相關(guān)資料，測試通過了單片機(jī)與FM1702通信，F(xiàn)M1702與MF1卡通信。完成了底層數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)。完成了其他部分底層硬件設(shè)計(jì)，包括利用74LS574芯片設(shè)計(jì)了4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路、存儲(chǔ)器電路。經(jīng)過焊接、調(diào)試，成功制作了聲光提示模塊、存儲(chǔ)器模塊，通過了測試程序。在理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了備用電源電路、RS－232／485轉(zhuǎn)換電路。分析了它們的可行性，并確定了PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議、MF1卡中內(nèi)容的格式、開門權(quán)限的定義。

[1]黃菊生，彭曉燕，彭庚新.Mifare1智能IC卡讀寫器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(12)：71－74.

[2]張毅剛.新編 MCS－51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008：251－271.

[3]劉瑩，梁楚樵.停車場發(fā)卡器與IC卡讀寫器的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(12)：77－80.