基于MSP430的非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉宇航,葉 冬

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，新的安全問題已經(jīng)給社會(huì)各個(gè)階層帶來諸多壓力，智能化門禁管理系統(tǒng)就是針對(duì)這種社會(huì)需求而開發(fā)的時(shí)代產(chǎn)物。它不僅僅是簡(jiǎn)單的開鎖，杜絕外來人員隨意進(jìn)出，通過門禁系統(tǒng)的監(jiān)控還可以知道某個(gè)區(qū)域某個(gè)房間在一定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)出的人員，一旦發(fā)現(xiàn)非法入侵，可以迅速報(bào)警，提高安全防范能力。另一方面，可以實(shí)現(xiàn)開門自動(dòng)記錄，便于追溯、查詢進(jìn)出人員資料,有效地解決了傳統(tǒng)門鎖的多種不足，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理，增強(qiáng)內(nèi)部的保安措施。智能門禁系統(tǒng)以其多功能、高效率、高水平、高檔次等特點(diǎn),逐漸成為安全防范體系的重要組成部分。本文以現(xiàn)代化企業(yè)門禁管理為對(duì)象設(shè)計(jì)了一種IC卡智能門禁管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)包括管理中心端、門禁端和非接觸式IC卡，能夠?qū)ⅰ案袘?yīng)卡”與“鎖具”有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而由“感應(yīng)卡”替代“鑰匙”，配合電腦實(shí)行智能化管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求和設(shè)計(jì)原則，本門禁系統(tǒng)可分為管理中心端、門禁端和門禁卡三部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

管理中心端由電腦、讀/寫卡器和485轉(zhuǎn)換器組成，其主要功能為：

(1)在管理中心可錄入每個(gè)用戶的信息資料，包括姓名、用戶 ID號(hào)、年齡、職位、部門、身份證號(hào)碼、每天可刷卡時(shí)間段、每周的工作日等，存入數(shù)據(jù)庫作為基本數(shù)據(jù)。

(2)當(dāng)用戶IC卡丟失或者用戶想注銷IC卡時(shí)，可通過管理中心進(jìn)行掛失或銷卡操作。

(3)根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)用戶發(fā)放IC卡，賦予相應(yīng)的權(quán)限。

門禁端由門禁控制器、讀卡器、電鎖門、出門按鈕組成，其主要功能為：

(1)用戶進(jìn)門時(shí)，使用IC卡刷卡，讀卡器識(shí)別 IC卡讀取數(shù)據(jù)并傳送給門禁控制器，控制器分析數(shù)據(jù)然后決定是否開門，若開門則給電鎖門發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)控制器記錄開門者的信息，定時(shí)地傳送給PC。

(2)用戶出門時(shí)，按出門按鈕即可出門。

門禁卡采用非接觸式IC卡，通過“非接觸式IC卡”與“鎖具”有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而由“感應(yīng)卡”替代“鑰匙”，配合電腦實(shí)行智能化管理。

2 IC卡的設(shè)計(jì)

非接觸式IC卡(又稱射頻IC卡)是世界上近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源卡中無電池和免接觸這一難題，是卡應(yīng)用領(lǐng)域的一大突破?？梢灶A(yù)測(cè)，在不遠(yuǎn)的將來，非接觸式IC卡會(huì)更大范圍地加以推廣應(yīng)用。Mifare卡是目前世界上使用量最大、技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、內(nèi)存容量最大的一種感應(yīng)式智能IC卡。由于Mifare卡操作簡(jiǎn)單、快捷,抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,安全性好,適合于一卡多用。因此本門禁系統(tǒng)的非接觸式IC采用M1卡[1]。

工作原理：讀寫器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷;在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可做為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

3 讀/寫卡器的設(shè)計(jì)

讀/寫卡器采用MF-RC500芯片。MF-RC500是Philips公司為Mifare卡設(shè)計(jì)的專用讀卡芯片,它支持ISO14443A所有的層。MF-RC500是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。其功能框圖如圖2所示。

MF-RC500內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF-RC500外部接口包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源等。MF-RC500的并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的8 bit并行接口的類型。模擬電路包含一個(gè)具有極低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分,這使得最大操作距離可達(dá)100 mm，接收器可以檢測(cè)到非常弱的應(yīng)答信號(hào)[2]。讀/寫卡程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 讀/寫卡器功能框圖

圖3 讀/寫卡程序流程圖

4 控制器的設(shè)計(jì)

控制器采用MSP430F149單片機(jī)，而MSP430F149采用的是16 bit的RISC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行時(shí)間只需要150 ns;具有超低的功耗,它在休眠條件下工作的電流只有0.8 μA；有兩個(gè)串口通信模塊：USART0、USART1，兩個(gè)串口都可以通過軟件設(shè)置成異步串行通行UART模式或者同步串行通信SPI模式；MSP430F149提供的片內(nèi)Flash為60 KB，同時(shí)片內(nèi)還提供較多的RAM，以便運(yùn)算時(shí)處理；提供P1.0～P6.0共 6個(gè)數(shù)據(jù)端口[3]，能為用戶提供更多的處理功能。

5 485轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

由于RS232通信有以下幾個(gè)弱點(diǎn)：傳輸速率比較低，一般低于 20 kb/s；傳輸距離有限，通常在通信距離低于15 m的場(chǎng)合使用；抗噪聲干擾弱等。因此，本門禁控制器采用RS485通信方式，RS485傳輸速率最高可達(dá)到10 Mb/s,傳輸距離的最大標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到4 000 feet，并且由于采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好[4]。因此，可采用RS232/RS485轉(zhuǎn)換器RS3485實(shí)現(xiàn)RS232總線和RS485總線的相互轉(zhuǎn)換。

RS485串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)思想是基于幀傳輸方式。為了使數(shù)據(jù)快速、可靠地傳輸，將每一幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)命令幀，傳輸數(shù)據(jù)即執(zhí)行命令。一次完整數(shù)據(jù)傳輸可以采用如圖4所示的幀定義。

圖4 定義幀

命令幀指示讀/寫，字節(jié)數(shù)表示要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)[5]。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

6 管理軟件的設(shè)計(jì)

PC軟件設(shè)計(jì)采用Microsoft SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫后臺(tái)管理系統(tǒng)，采用完全面向?qū)ο缶幊痰拈_發(fā)工具Visual Basic來設(shè)計(jì)軟件的管理界面。本智能門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為6個(gè)模塊來滿足要求，如圖6所示。

系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫包含3個(gè)表：

(1)登錄信息表：管理員的信息，包括用戶名、用戶密碼；

圖6 管理系統(tǒng)模塊圖

(2)用戶信息表：持卡人的詳細(xì)信息，包括 IC卡編號(hào)、姓名、性別、職位、身份證件、可出入時(shí)間段和每周工作日；

(3)查詢信息表：持卡人的進(jìn)門時(shí)間查詢，包括IC卡編號(hào)、進(jìn)門時(shí)間。

本文基于MSP430單片機(jī)和MF-RC500芯片并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)的智能門禁系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、快捷、安全且功耗低。此門禁系統(tǒng)還具有擴(kuò)展功能，可根據(jù)實(shí)際需要增加報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控、強(qiáng)制關(guān)門等功能，具有極大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1]劉新躍.基于RFID的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(3)：261-263.

[2]郭廣靈，吳惠云，張?jiān)路?非接觸式IC卡讀寫器設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,20(1)：28-31.

[3]秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5]陳曉靜.基于MSP430單片機(jī)的多機(jī)串口通信設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2009，35(12)：35-37.