基于非接觸IC卡的門禁控制系統(tǒng)設計

【摘要】本設計是一套基于非接觸式IC射頻卡和單片機的門禁控制系統(tǒng)，上位機通過CAN總線向下位機（單片機）下傳各微控制器參數(shù)及卡號信息，同時可從下位機上傳其記錄的流水記錄完成進出入的智能化管理。

【關鍵詞】門禁系統(tǒng);射頻卡

1.引言

現(xiàn)代化的企業(yè)管理模式和高度科學化的企業(yè)管理已成為企業(yè)生存的有力保障。企業(yè)的公共安全，人員管理和企業(yè)保密工作任何一個環(huán)節(jié)的不慎或失誤，都將有可能對企業(yè)造成損失。在企業(yè)經濟效益，科技成果，管理內部事務等一系列問題上，門禁管理系統(tǒng)為企業(yè)提供了強有力的保障。

出入口門禁系統(tǒng)顧名思義就是對出入口通道進行管制的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)的門鎖基礎上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的機械門鎖僅僅是單純的機械裝置，無論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能通過各種手段把它打開。在出入人很多的通道（像辦公室，酒店客房）鑰匙的管理很麻煩，鑰匙丟失或人員更換都要把鎖和鑰匙一起更換。為了解決這些問題，就出現(xiàn)了電子磁卡鎖，電子密碼鎖，這兩種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理程度，使通道管理進入了電子時代，但隨著這兩種電子鎖的不斷應用，它們本身的缺陷就逐漸暴露，磁卡鎖的問題是信息容易復制，卡片與讀卡機具之間磨損大，故障率高，安全系數(shù)低;密碼鎖的問題是密碼容易泄露，又無從查起，安全系數(shù)很低。同時這個時期的產品由于大多采用讀卡部分（密碼輸入）與控制部分合在一起安裝在門外，很容易被人在室外打開鎖。這個時期的門禁系統(tǒng)還停留在早期不成熟階段，因此當時的門禁系統(tǒng)通常被人稱為電子鎖，應用也不廣泛。

最近幾年隨著感應卡技術，生物識別技術的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進入了成熟期，出現(xiàn)了感應卡式門禁系統(tǒng)，指紋門禁系統(tǒng)，虹膜門禁系統(tǒng)，面部識別門禁系統(tǒng)，亂序鍵盤門禁系統(tǒng)等各種技術的系統(tǒng)，它們在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特長，門禁系統(tǒng)的應用領域也越來越廣。

本設計就是一套基于非接觸式IC射頻卡和單片機的門禁控制系統(tǒng)，完成對某些重要場所的進出入智能化自動化管理。

2.系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)設計使用主從CPU結構，這種結構可以減少單個CPU的工作量，提高系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體

主控CPU負責系統(tǒng)門禁整體調度，采用大容量的RAM和大容量的FlashROM進行擴展，以記錄門控信息，同時系統(tǒng)擴展了CAN總線接口與PC機通信，實現(xiàn)了門禁系統(tǒng)的分布式管理。

從CPU用于讀取非接觸式IC卡的卡號及一些開關量（如超級開門權限），并控制繼電器的輸出（門鎖控制）。

系統(tǒng)主電路使用開關電源供電，為了使通信電路有較強的抗干擾能力，該部分電路電源與系統(tǒng)其它處電源隔離，所以采用DC-DC轉換電路給其供電。

為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，還在系統(tǒng)中加了CPU抗干擾單元電路。具體采用了微處理器監(jiān)控電路MAX1232，其主要功能包括：

（1）電源監(jiān)控：電壓監(jiān)測器監(jiān)控Vcc，每當Vcc低于所選的容限時，就輸出并保存復位信號;

（2）按鈕復位輸入：在PBRST端靠手動強制復位輸出;

（3）監(jiān)控定時器：當系統(tǒng)因干擾或其他原因導致程序“跑飛”，他會給出復位信號并自動恢復運行。

系統(tǒng)時間記錄選擇了實時時鐘芯片DS12887（RealTime Clock）。它可以替代IBM-AT計算機日歷、時鐘;在無外接電源的情況下，可以穩(wěn)定工作在十年以上;芯片帶有128字節(jié)的內部RAM，其中部分RAM可作為用戶RAM使用。

系統(tǒng)使用CAN總線與上位PC機進行數(shù)據交換，進行門禁控制管理與門禁控制的歷史記錄。CAN是英文Controller Area Net的縮寫，即控制器局域網絡，它是主要用于各種過程（設備）監(jiān)測及控制的一種網絡。是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，CAN總線上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據，而不分主從，通信靈活。CAN總線節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響，具有高可靠性。CAN總線每幀數(shù)據都含有CRC（循環(huán)冗余）校驗及其他校驗措施，采用非破壞性總線仲裁，數(shù)據出錯率低，糾錯能力強。由于以上優(yōu)點，CAN總線已成為一種總線標準。CAN總線驅動器可以連接至少110個節(jié)點，對于樓層或小型建筑用一臺PC機（使用CAN接口卡）就可以完成對整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

另外，電路設計采用獨立的CAN控制器，并使用了CAN控制器接口芯片以增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力、保護總線，降低射頻干擾（RFI），實現(xiàn)熱防護等。為了進一步提高抗干擾措施，在CAN控制器和CAN控制器接口芯片間使用了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。

從CPU與主CPU之間采用串行口進行多機通信，主CPU可以帶多個從CPU，方便控制的擴展。

系統(tǒng)讀卡器采用WEIGAND26串行數(shù)據協(xié)議，卡號信息共26位，其中首位與末位為奇偶校驗位，剩下24位正好是3個字節(jié)的卡號。串行數(shù)據最大的優(yōu)點是距離遠，走線少，抗干擾能力強。

為了防止人為破壞，系統(tǒng)中增加了防撬監(jiān)控電路，采用普通的IO監(jiān)控，防撬開關或暗導線。

3.系統(tǒng)軟件設計

門禁控制系統(tǒng)僅允許注冊的用戶IC卡，而且賦予不同的權限（如使用時段，使用時間），通過PC機CAN總線下傳到主控器的FlashROM中以備校驗使用。對于丟失的用戶卡給予特殊處理，如列入黑名單，當再次使用時給予報警。對于每次開門打卡都做成流水記錄，存放于主控器的擴展RAM中，以備上傳到PC機，通過PC機管理記錄。

門禁控制系統(tǒng)中PC機是通過CAN卡跟主控器進行數(shù)據交換，該部分使用Delphi編寫程序，通過調用CAN卡開發(fā)商提供的API函數(shù)進行，并使用了數(shù)據庫管理技術。

門禁主控器分主CPU和從CPU兩部分，其分別負責不同工作。

主CPU負責整體卡號采集、權限判斷、控制調度和與上位PC機進行數(shù)據交換。該部分工作過程如圖2所示。

圖2 主CPU工作過程

（1）系統(tǒng)上電后主CPU便讀取硬件所設定主控器的地址（一個CAN驅動器可以驅動110個節(jié)點，設定不同的地址），存放于地址緩沖器，以備與上位機通信時主控器身份的識別。

（2）輸入輸出初始化：該初始化包括RAM存儲器初始化、定時器、串行口、CAN控制器等的初始化和對從CPU的初始化。

（3）在以上過程完成后，系統(tǒng)進入主循環(huán)：實時監(jiān)視主控器是否被撬，一旦被撬，馬上將系統(tǒng)鎖死并報警處理;如果系統(tǒng)正常，將讀取卡號并根據權限給從CPU開關鎖命令，同時進行流水記錄，記錄包括卡號、時間等信息。

（4）在系統(tǒng)主循環(huán)中，可以隨時接收上位PC機的信息并根據要求進行數(shù)據交換，通信使用CAN2.0B協(xié)議。

圖3 從CPU工作流程

從CPU用于讀取非接觸式IC卡的卡號及一些開關量，通過串行口傳到主CPU，并根據主CPU所給的控制要求控制門鎖的開關。該部分程序流程如圖3所示。

（1）系統(tǒng)上電后從CPU便讀取硬件所設定讀卡器的地址（一個從CPU可帶多個讀卡器，設定不同的地址），存放于地址緩沖器，以備與主CPU通信時讀卡器身份的識別

（2）輸入輸出初始化：該初始化包括RAM存儲器初始化、定時器、串行口等。

（3）以上過程完成后，系統(tǒng)進入主循環(huán)：實時輸出主CPU傳來的控制信息。

（4）在從CPU主循環(huán)中，通過中斷讀取射頻IC卡的卡號，并通過串行口隨時傳給主CPU，同時通過串行口接收主CPU傳來的控制命令。

4.結束語

出入口門禁安全管理系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，它集微機自動識別技術和現(xiàn)代安全管理措施為一體，它涉及電子，機械，光學，計算機技術，通訊技術，生物技術等諸多新技術。它是解決重要部門出入口實現(xiàn)安全防范管理的有效措施。適用各種機要部門，如銀行、賓館、機房、軍械庫、機要室、辦公間、智能化小區(qū)、工廠等。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)。它在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。

參考文獻

[1]石卓，岳世偉.RFID在音圈振膜自動化生產線中的應用[J].電子世界，2014，9.

[2]劉小兵.基于CAN總線焊接車間環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電子世界，2014，9.

[3]李文，趙明.基于RFID技術可視化電子火車票的研究[J].電子世界，2014，9.

[4]饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M].北京航空航天大學出版社，2007，8.

[5]周立功.項目驅動—CAN-bus現(xiàn)場總線基礎教程[M].北京航空航天大學出版社，2012，7.

[6]楊振野.IC卡的技術及其應用[M].科學出版社，2006，7.

作者簡介：竇文淼（1984—），女，學士，助教，現(xiàn)供職于桂林電子科技大學信息科技學院，主要研究方向：測控技術與儀器。