基于韋根協(xié)議的門(mén)禁系統(tǒng)多路控制器設(shè)計(jì)

吳力普,孫啟帥

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100144）

近幾年，一些重要機(jī)關(guān)、科研實(shí)驗(yàn)室、檔案館以及其他一些重要部門(mén)對(duì)于智能建筑的安全性要求越來(lái)越高，門(mén)禁系統(tǒng)是在現(xiàn)代智能建筑中應(yīng)用比較廣泛的一種安全設(shè)施,它能管理人群的進(jìn)出，限制未授權(quán)人士隨意出入某些區(qū)域。目前，市場(chǎng)上存在的門(mén)禁控制器大部分是單門(mén)控制，而兩門(mén)或者多門(mén)的控制器成本較高，因此，本文設(shè)計(jì)了一款價(jià)格成本比較低的、可同時(shí)支持多路刷卡的門(mén)禁控制器應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)中。該控制器除了可以控制多路門(mén)的進(jìn)出之外，還可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警，記錄刷卡、讀取門(mén)狀態(tài)、火災(zāi)報(bào)警等操作的時(shí)間，以及傳送通信協(xié)議等功能。

1 結(jié)構(gòu)和功能介紹

圖1 門(mén)禁控制器的系統(tǒng)框圖

圖1為門(mén)禁控制器[1]的系統(tǒng)框圖，整個(gè)門(mén)禁控制器可分為電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、火災(zāi)報(bào)警輸入電路、按鍵與門(mén)磁輸入電路、韋根接口與光耦電路、鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路等單元。其中，電源模塊用來(lái)給整個(gè)系統(tǒng)供電，時(shí)鐘電路用于記錄刷卡以及相關(guān)操作的時(shí)間，火災(zāi)報(bào)警輸入電路用于火災(zāi)發(fā)生時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸入，按鍵與門(mén)磁輸入電路用來(lái)檢測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，韋根接口與光耦電路用來(lái)接收韋根數(shù)據(jù)，鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路用來(lái)輸出火災(zāi)發(fā)生時(shí)的報(bào)警信號(hào)并決定鎖的開(kāi)關(guān)。單片機(jī)通過(guò)韋根接口輸入的數(shù)據(jù)來(lái)判斷哪個(gè)門(mén)有人刷卡，并記錄刷卡的時(shí)間以及控制門(mén)的開(kāi)關(guān)。同時(shí)當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)報(bào)警輸入電路會(huì)給單片機(jī)輸入一個(gè)報(bào)警信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)判斷此信號(hào)決定鎖電路的開(kāi)關(guān)并使報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路輸出一個(gè)信號(hào)給報(bào)警裝置來(lái)決定報(bào)警與否。單片機(jī)通過(guò)判斷按鍵產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)判斷內(nèi)側(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)[2]。

1.1 電源模塊

電源模塊如圖2所示，1205是一個(gè)隔離電壓轉(zhuǎn)換模塊，輸出的5 V電壓為系統(tǒng)中的單片機(jī)最小系統(tǒng)以及時(shí)鐘模塊供電；LM7805是一個(gè)三端穩(wěn)壓模塊，輸出的5 V數(shù)字電壓給系統(tǒng)中起隔離作用的光耦電路供電。

圖2 電源模塊原理圖

1.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路主要用于記錄門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間、刷卡時(shí)間、火災(zāi)報(bào)警時(shí)間等需要記錄時(shí)間信息的情況。本系統(tǒng)采用市場(chǎng)上常用的時(shí)鐘芯片DS1302，因其工作時(shí)功耗很低，用一節(jié)紐扣電池做備用電源就可以工作很長(zhǎng)一段時(shí)間，其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路

1.3 韋根接口與光耦電路

圖4所示為單路韋根接口與光耦電路的原理圖，韋根信號(hào)通過(guò)光耦隔離電路進(jìn)入單片機(jī)的中斷管腳上，用中斷的方式接收數(shù)據(jù)可以防止數(shù)據(jù)的丟失。本系統(tǒng)可以支持4路信號(hào)，如果擴(kuò)展IO口芯片，會(huì)支持更多路。

圖4 韋根接口與光耦電路

1.4 鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路

圖5為鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路原理圖，通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)管腳對(duì)此進(jìn)行控制。當(dāng)此管腳為高電平時(shí)，繼電器的線圈得電，鎖電路閉合，同時(shí)給報(bào)警電路輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)；當(dāng)此管腳為低電平時(shí)，繼電器的線圈失電，鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路無(wú)動(dòng)作。

圖5 鎖電路與報(bào)警聯(lián)動(dòng)輸出電路

1.5 火災(zāi)報(bào)警輸入電路

火災(zāi)報(bào)警輸入電路如圖6所示。輸入部分類似于一個(gè)開(kāi)關(guān)量控制，圖中用S代替火災(zāi)報(bào)警輸入，與單片機(jī)一個(gè)管腳相連接（圖中為PB3），單片機(jī)通過(guò)判斷此管腳電平的高低來(lái)判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。若有火災(zāi)發(fā)生S閉合，相當(dāng)于輸入0管腳電平拉低，報(bào)警器報(bào)警，否則不報(bào)警。門(mén)磁輸入、按鍵輸入與火災(zāi)報(bào)警輸入原理相同。

圖6 火災(zāi)報(bào)警輸入電路

2 程序設(shè)計(jì)與流程圖

2.1 韋根接口協(xié)議簡(jiǎn)介

韋根協(xié)議[3-4]是由摩托羅拉公司制定的一種通信協(xié)議，它適用于涉及門(mén)禁控制系統(tǒng)[5]的讀卡器和卡片的許多特性。其協(xié)議并沒(méi)有定義通信的波特率，也沒(méi)有定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，主要定義的是數(shù)據(jù)傳輸方式。韋根碼在數(shù)據(jù)的傳輸中只需兩條數(shù)據(jù)線，一條為DATA0，另一條為DATA1。協(xié)議規(guī)定，兩條數(shù)據(jù)線在無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)均為高電平，如果DATA0為低電平代表數(shù)據(jù) 0，DATA1為低電平代表數(shù)據(jù)1。韋根協(xié)議有很多格式，標(biāo)準(zhǔn)的26 bit是最常用的格式，此外，還有34 bit、36 bit等格式。本文所設(shè)計(jì)的控制器是基于常用的26 bit標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。

2.2 多路門(mén)禁通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)定義了一種多路門(mén)禁通信協(xié)議，此協(xié)議共分為6部分，如表1所示。協(xié)議傳送的內(nèi)容如表2所示。

2.3 軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)了控制器對(duì)多路門(mén)的控制。其功能主要為：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)串口中斷方式接收上位機(jī)指令，根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。當(dāng)接收到修改時(shí)間指令時(shí)，單片機(jī)會(huì)修改系統(tǒng)時(shí)間；當(dāng)接收到讀門(mén)狀態(tài)指令時(shí)，單片機(jī)會(huì)將所有門(mén)狀態(tài)讀出，并封裝成數(shù)據(jù)幀回傳給上位機(jī)；當(dāng)有人刷卡時(shí)，單片機(jī)通過(guò)外部中斷方式接收韋根數(shù)據(jù)，并記錄卡號(hào)及刷卡時(shí)間，使門(mén)打開(kāi)。單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵與門(mén)磁輸入、火災(zāi)報(bào)警輸入，一旦檢測(cè)到相應(yīng)的管腳電平有變化就會(huì)做出開(kāi)關(guān)門(mén)或火災(zāi)報(bào)警的動(dòng)作。

表1 多路門(mén)禁通信協(xié)議

表2 協(xié)議傳送內(nèi)容

圖7 程序整體結(jié)構(gòu)流程圖

圖7為程序整體結(jié)構(gòu)圖，裝置上電后，單片機(jī)完成各管腳狀態(tài)、寄存器以及串口中斷和外部中斷的初始化，然后開(kāi)中斷，單片機(jī)進(jìn)入主循環(huán)程序。單片機(jī)進(jìn)入主循環(huán)時(shí)運(yùn)行的程序流程如圖8所示，其工作過(guò)程就是控制多路門(mén)的過(guò)程，通過(guò)接收上位機(jī)指令完成修改時(shí)間、讀取門(mén)狀態(tài)、判斷火災(zāi)、記錄刷卡等操作。

本文在韋根協(xié)議的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種多路門(mén)禁通信協(xié)議,以完成對(duì)多路門(mén)的控制。其原理簡(jiǎn)單易懂，功能豐富，能通過(guò)一個(gè)控制器采集多路門(mén)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路門(mén)的控制，而且可以允許多個(gè)門(mén)同時(shí)刷卡進(jìn)出，實(shí)用性及擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

圖8 主程序流程圖

[1]于長(zhǎng)波.非接觸式IC卡門(mén)禁控制器的設(shè)計(jì)[D].蘇州:蘇州大學(xué),2009.

[2]沈建良，趙文宏，賈玉坤.ATmega128單片機(jī)入門(mén)與提高[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[3]索靜，田生喜，劉杰.韋根信號(hào)接收處理的實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦,2010,26(4):101-102.

[4]柴卉，萬(wàn)振凱.韋根協(xié)議在門(mén)禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2007,14(5):111-112.

[5]薛琳，魏蘭磊,朱述川,等.基于 GPRS和RFID技術(shù)的門(mén)禁控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012，38(6):145-148.