基于可見光通信的門禁系統(tǒng)

王 金 鵬， 薛 歆 澎， 于 穎， 鄒 念 育

( 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

門禁系統(tǒng)定義為一種對出入口具有管理控制功能的系統(tǒng)[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的門禁系統(tǒng)主要有密碼門禁系統(tǒng)、刷卡門禁系統(tǒng)和生物識別門禁系統(tǒng)。密碼門禁系統(tǒng)需要手動輸入密碼信息且密碼易遺忘和泄露，因此效率低且安全性差。刷卡門禁系統(tǒng)分為接觸式和非接觸式，接觸式卡易磨損，使用次數(shù)有限。非接觸式門禁系統(tǒng)的無線射頻開鎖信息易被截獲復(fù)制，造成信息泄露及財產(chǎn)損失。生物識別門禁系統(tǒng)以指紋、虹膜等人體生物特征的不同作為密匙，雖然安全性高但是比對速度慢。

隨著近年來通信行業(yè)以及LED材料器件的蓬勃發(fā)展，可見光通信技術(shù)走入人們的生活。可見光通信技術(shù)將光波作為信息的載體并將自由空間作為傳輸?shù)男诺肋M(jìn)行信息的傳送[2-3]。LED器件的頻率響應(yīng)特性良好，為可見光通信在LED器件上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?？梢姽馔ㄐ啪褪亲孡ED發(fā)出人眼感知不到的高速閃爍，以此來傳輸信息，并用光電感應(yīng)器件接收光信息[4]?？梢姽馔ㄐ啪哂胁徽加妙l譜資源的特點[5-6]；可見光通信屬于一種點對點的通信方式，由于具有不受電磁干擾的特點，因此具有保密特性[7]。鑒于目前的門禁系統(tǒng)存在比對效率低和安全性差的問題，而可見光通信技術(shù)的優(yōu)點能夠有效克服這些問題。

本研究設(shè)計了一種基于可見光通信技術(shù)的門禁系統(tǒng)。將STC89C52RC單片機(jī)作為數(shù)據(jù)的發(fā)送接收處理單元并將可見光作為傳輸信息的載體，采用IM/DD(強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測)調(diào)制方式，將編碼信息加載到可見光上實現(xiàn)身份信息的傳輸。給出了系統(tǒng)各部分的電路設(shè)計并進(jìn)行了實際硬件制作，為了測試系統(tǒng)性能對搭建好的硬件進(jìn)行了波形測試，結(jié)果表明，此可見光通信門禁系統(tǒng)可以實現(xiàn)密碼信息的準(zhǔn)確傳輸與接收進(jìn)而完成開鎖操作。

1 系統(tǒng)原理及整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

可見光通信的原理圖如圖1所示。

圖1 可見光通信系統(tǒng)的原理圖

可見光通信系統(tǒng)主要由LED光源發(fā)射端、光電檢測的接收端及中間信道傳輸部分構(gòu)成[8-9]。原始的待傳輸信號，經(jīng)過編碼調(diào)制之后，加載到光信號上傳輸，以數(shù)字信號“0”“1”的形式發(fā)送出去[10]。接收端接收到所傳遞來的光信號后，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，后再經(jīng)過信號放大均衡等處理進(jìn)而得到原始信號[11]。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

門禁系統(tǒng)的組成如圖2所示。

此可見光通信門禁系統(tǒng)主要由光鑰匙端即信息的發(fā)送端、門禁端即信息的接收驗證端兩部分組成。光鑰匙端由負(fù)責(zé)存儲使用者的身份信息和驗證是否能通過門禁的密碼信息的單片機(jī)一與將信息加載到LED上進(jìn)行傳送的LED驅(qū)動電路組成。門禁端負(fù)責(zé)可見光的接收工作，接收到通過可見光傳輸過來的身份信息以及密碼信息，記錄時間及頻率等信息并進(jìn)行身份驗證，由接收可見光信息的接收電路與單片機(jī)二組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件流程圖見圖3，發(fā)送端單片機(jī)先完成初始化工作，同時將密碼信息進(jìn)行編碼，LED等待數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)發(fā)送指令時LED將信息發(fā)送出去。接收端采用光敏二極管進(jìn)行接收，光敏二極管可以感應(yīng)不同亮度變化的光線，從而使光敏二極管兩端電壓不同，將電壓通過LM324運算放大器進(jìn)行電壓跟隨及比較，接著將電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的高低電平輸出到接收端的單片機(jī)進(jìn)行解調(diào)解碼還原出原始數(shù)據(jù)，最后將還原出的數(shù)據(jù)與門禁端單片機(jī)內(nèi)存儲的身份信息進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果進(jìn)行通過門禁或報警操作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)作為控制部分的核心處理器，其管腳圖如圖4所示。

圖3 軟件流程圖

圖4 STC89C52單片機(jī)管腳圖

STC89C52使用經(jīng)典MCS-51內(nèi)核，8 kB Flash，512 B RAM，3個16 b定時器、串口屬于全雙工串行口、看門狗定時器、兩個外部中斷口和32 b IO口[12]。為了滿足系統(tǒng)的功能，主要使用了STC89C52單片機(jī)的兩個內(nèi)部定時器T0、T1，外部中斷、串口中斷以及串口通信功能。其中兩個內(nèi)部定時器的主要作用是用來產(chǎn)生精確的定時時間并根據(jù)此精準(zhǔn)的定時時間對接收端收到的可見光采用的脈沖寬度調(diào)制頻率以及占空比進(jìn)行計算。時鐘電路中采用經(jīng)典的外部11.0592M石英晶體振蕩器，一般在晶體兩端接上起振電容，可以增強(qiáng)外部振蕩電路的抗干擾能力，使振蕩電容起振更加容易。時鐘電路如圖5所示。

圖5 STC89C52單片機(jī)時鐘電路圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)中還需要一個復(fù)位電路。復(fù)位電路如圖6所示。

圖6 STC89C52單片機(jī)復(fù)位電路圖

單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式，當(dāng)至少兩個機(jī)器周期的高電平信號加到復(fù)位管腳時即可觸發(fā)單片機(jī)復(fù)位功能。為了維持系統(tǒng)的可靠運行及調(diào)試的方便采用上電自動復(fù)位，必要時可手動復(fù)位。

3.2 發(fā)送與接收模塊

密匙信息發(fā)送端即LED驅(qū)動電路，其中LED驅(qū)動電路采用高頻率場效應(yīng)管驅(qū)動，I/O口連接到柵極，通過I/O口對柵極的控制，進(jìn)而控制LED的占空比將信息發(fā)送出去。密匙信息發(fā)送端如圖7所示。

門禁系統(tǒng)的接收端如圖8所示。

接收端通過光敏二極管接收到發(fā)送端LED傳送來的光信號并將占空比不同的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，隨后把信號送入LM324運算放大器進(jìn)行信號放大以及電壓跟隨、比較，將轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)高低電平送入單片機(jī)P3.2口。STC89C52的P3.2口為中斷觸發(fā)端口，通過輸入的信號觸發(fā)定時，進(jìn)而可以算出光信號的載波頻率以及脈沖寬度，從編碼信息解調(diào)出相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖7 密匙信息發(fā)送端

圖8 門禁信息接收端

4 系統(tǒng)搭建與分析

根據(jù)以上對發(fā)送端和接收端電路的設(shè)計進(jìn)行了硬件制作，實物圖如圖9所示。

可見光通信主要分為視距鏈路和非視距鏈路[13-14]。對于系統(tǒng)而言，發(fā)送端與接收端的通信距離較短，因此幾乎不受多徑效應(yīng)的影響，采用的為視距鏈路模式。視距鏈路還可以分為定向視距鏈路和非定向視距鏈路，兩者的區(qū)別在于定向視距鏈路對發(fā)送端和接收端的角度要求較高，幾乎對準(zhǔn)平行才可以準(zhǔn)確接收信息。經(jīng)過實際硬件的制作和調(diào)試，本設(shè)計采用定向視距鏈路，此時傳輸信息效果比較良好。為了驗證實際制作的硬件系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸接收需要對搭建制作好的系統(tǒng)需要進(jìn)行分析和測試。

圖9 硬件實物圖

利用示波器對系統(tǒng)的發(fā)送端與接收端分別進(jìn)行波形測試，測試環(huán)境如圖10所示。

圖10 測試環(huán)境

發(fā)送端與接收端的波形對比如圖11、圖12所示。

圖11 發(fā)送端波形

圖12 接收端波形

從圖11和圖12中可以看出，設(shè)計的可見光通信門禁系統(tǒng)成功實現(xiàn)了密碼信息的傳輸與接收，且沒有出現(xiàn)誤判情況，系統(tǒng)可以正常工作。

為了測試此可見光通信門禁系統(tǒng)的比對效率，對實際硬件進(jìn)行了多次實驗，實驗結(jié)果為接收端指示燈的開啟(門鎖的開啟)與發(fā)送端LED燈的開啟幾乎同時完成，充分表明此可見光通信門禁系統(tǒng)的比對效率較高。

5 結(jié) 論

鑒于目前的門禁系統(tǒng)存在低比對效率和安全性不高的問題以及可見光通信技術(shù)高速率傳輸且安全性高的特點，設(shè)計了一種基于可見光通信的門禁系統(tǒng)，并對搭建好系統(tǒng)進(jìn)行了分析和測試。結(jié)果表明，搭建的硬件系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)密碼信息的傳輸，且經(jīng)過多次測試驗證了該系統(tǒng)具有較高的比對效率。在近年來可見光通信技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，設(shè)計的方法具有一定的理論意義和實際應(yīng)用價值，可見光通信技術(shù)將會在門禁領(lǐng)域具有非常有價值的應(yīng)用前景。