基于單片機(jī)的門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 奇

（沈陽師范大學(xué),遼寧 沈陽 110034）

1 引言

如今，人們非常關(guān)注安全問題。電子鎖被應(yīng)用于很多場(chǎng)所，由于其具有很高的安全性的需求，因此有必要對(duì)此類技術(shù)進(jìn)行深入探索。通過對(duì)智能門禁系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)有特征的分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的智能門禁系統(tǒng)存在以下問題。

（1）早期的進(jìn)入控制系統(tǒng)使用不便。在使用的時(shí)候需要人們用手打開，但是當(dāng)人們騰不出手時(shí)，就會(huì)帶來很多麻煩。

（2）鍵盤式的門禁對(duì)使用人員的要求比較低，但現(xiàn)在的技術(shù)比較輕易就能破解密碼，安全系數(shù)低，而且人們總是容易忘記密碼。

（3）感應(yīng)控制的輸入機(jī)比較容易被損壞，門卡也容易丟失。

（4）大部分區(qū)域都利用了智能門禁系統(tǒng)，但過度依賴外在系統(tǒng)進(jìn)行解鎖，會(huì)造成人們對(duì)每個(gè)物品的相應(yīng)智能門禁產(chǎn)生混亂。

（5）入口控制系統(tǒng)需要長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，因此，如果沒有良好的熱分配系統(tǒng)，就容易影響使用。

針對(duì)上述情況，結(jié)合目前的高新科技，可以開發(fā)出具有廣闊市場(chǎng)前景的、智能的、安全性高的、消耗小的，適合進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的門禁系統(tǒng)。

2 RFID技術(shù)的含義

RFID（radio frequency identification）技術(shù)，又叫作無線射頻識(shí)別，它是一種通信科技，通過使用無線電信號(hào)識(shí)別某種目標(biāo)來獲取和輸入相關(guān)信息。本文利用RFID技術(shù)來對(duì)智能門禁系統(tǒng)進(jìn)行研究[1]。

3 基于 RFID 技術(shù)智能門禁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 門禁設(shè)計(jì)遵循的原則

進(jìn)入控制科技是一種高度發(fā)展的高科技，所以它非常流行，并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如某些高端住宅區(qū)、旅館和辦公樓。但是，使用智能門禁系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)遵循以下一些規(guī)則。

（1）適配性。基于現(xiàn)實(shí)的智能門禁系統(tǒng)，要能真正起到方便人們的作用。因此，需要考慮到人們的使用感受。

（2）穩(wěn)定性。由于智能門禁系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，并且系統(tǒng)的功能運(yùn)作關(guān)乎人們的生活，一旦發(fā)生事故，將帶來嚴(yán)重的后果。所以對(duì)其穩(wěn)定性提出了很高的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮這一點(diǎn)。

（3）安全性。連接到智能門禁系統(tǒng)的所有零件和組件必須非常安全穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中還需要符合我國(guó)有關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議和國(guó)際水準(zhǔn)。另外，智能門禁系統(tǒng)還必須保證在智能門禁系統(tǒng)的操作期間信息的傳輸，并且可以很好地保護(hù)用戶和一些相關(guān)數(shù)據(jù)的使用安全性。

（4）實(shí)時(shí)性。當(dāng)門禁體系在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，有時(shí)一個(gè)組件出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生中斷，并降低整個(gè)體系的運(yùn)行速度，從而造成嚴(yán)重的不良后果。[2]因此，工程師和設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此問題，以保證各部分獨(dú)立運(yùn)行，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不會(huì)影響其他部分，并保證在相互獨(dú)立的情況下所有信息資料都可以準(zhǔn)確無誤進(jìn)行傳送。

（5）擴(kuò)展性。智能門禁系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，用戶的需求也在不斷提升，已經(jīng)不再局限于現(xiàn)有功能，因此，有必要繼續(xù)將智能門禁系統(tǒng)的功能進(jìn)行拓展。根據(jù)客戶要求，進(jìn)行一些新的探索，更新或開發(fā)更多性能。

（6）合理性。在客戶對(duì)智能門禁系統(tǒng)等的質(zhì)量和功能都認(rèn)可的情況下，還需要維護(hù)和更新各種系統(tǒng)設(shè)置以降低使用費(fèi)用。

（7）易于維護(hù)。進(jìn)入門禁系統(tǒng)必須平穩(wěn)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)不能過于冗雜，否則不利于技術(shù)人員進(jìn)行日常維修，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到這一方面的問題。

3.2 門禁設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

智能門禁系統(tǒng)處理基礎(chǔ)的安全功能以及系統(tǒng)管理功能。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)注冊(cè)人員的進(jìn)出記錄。每個(gè)用戶都擁有自己的門禁卡，也可以在系統(tǒng)上刪除或取消這些卡。另外，該系統(tǒng)還具有以下性能。

（1）用戶在出入期間應(yīng)只使用門禁卡，無任何其他幫助。

（2）只有被授權(quán)過的人員可以使用該門禁系統(tǒng)，為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)和環(huán)境。

（3）系統(tǒng)管理人員可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)出入情況進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)視、請(qǐng)求和計(jì)算，并查看每個(gè)門的狀態(tài)和監(jiān)控每個(gè)門的運(yùn)行情況，如出入時(shí)間、人員信息等。

（4）系統(tǒng)可以保存全部人員的使用狀況，以及每個(gè)門的進(jìn)入和退出數(shù)據(jù)以及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些信息存檔便于將來查詢。

（5）緊急狀態(tài)下，如出錯(cuò)或是有不合法的干擾，此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

（6）火災(zāi)時(shí)，按下制動(dòng)緊急按鈕可以打開所有門，為內(nèi)部人員提供逃生通道。

3.3 設(shè)計(jì)方案

本研究使用單片機(jī)STC89C52作為基礎(chǔ)，還有一些外圍電路，如射頻辨別板塊、噪聲警報(bào)板塊、鍵盤輸進(jìn)板塊、液晶屏幕展示板塊和電平轉(zhuǎn)化板塊。該項(xiàng)目的實(shí)質(zhì)是使用射頻卡作為進(jìn)入允許證明。打開微控制器，辨別門卡，若門卡正確，則繼電器將關(guān)閉，并且燈會(huì)點(diǎn)亮，屏幕上將出現(xiàn)表示打開的字樣“Open”。反之，不正確的門卡將造成繼電器無法關(guān)閉，并使蜂鳴器執(zhí)行警報(bào)動(dòng)作。此時(shí)，屏幕顯示單詞表示錯(cuò)誤。圖1為系統(tǒng)的框架圖。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)模塊

圖1 系統(tǒng)框圖

單片機(jī)STC89C52是由宏晶科技開發(fā)的高性能且低功耗的單片機(jī)。盡管它是最新的產(chǎn)品，但也符合傳統(tǒng)的微控制器指令，并且有12時(shí)鐘/6時(shí)鐘機(jī)械周期這兩個(gè)選項(xiàng)。

作為加強(qiáng)型的8051單片機(jī)，有12時(shí)鐘/6時(shí)鐘機(jī)械周期能夠任意轉(zhuǎn)換，完美包容傳統(tǒng)的型號(hào)為8051的單片機(jī)命令。

表1為單片機(jī)STC89C52的主要特征。

單片機(jī)主要電路包括：電源端口是一個(gè)USB接口，由一個(gè)六角形開關(guān)和一個(gè)電阻操作，電源指示燈是一個(gè)LED，它們共同構(gòu)成了電源電路；STC89C52的工作電壓約為5V，因此，在進(jìn)行電路連接前，必須用萬用表測(cè)量出正負(fù)極。本實(shí)驗(yàn)不需要使用其他兩個(gè)具有單個(gè)芯片的微型計(jì)算機(jī)引腳。

表1 單片機(jī)STC89C52的主要特征

4.2 RFID識(shí)別模塊

該系統(tǒng)采用MFRC522射頻板塊插卡滑動(dòng)操作。MFRC522是在13.56MHz非碰觸卡讀寫芯片上利用的板塊類別，而且也能兼容回應(yīng)器信號(hào)。CRYPTO1加密算法也可以用于測(cè)試Mifare系列。Mifare系列高速非接觸式通信也可以在MFRC522上實(shí)現(xiàn)，而且可以實(shí)現(xiàn)424 kbit/s。盡管MFRC522作為一個(gè)新的產(chǎn)品，但它與MFRC530很像。SPI模式幫助它與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系,并能減小PCB板的大小，以實(shí)現(xiàn)成本降低。

4.3 報(bào)警模塊

蜂鳴器是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，由于其電源恒定，電子產(chǎn)品一般都會(huì)使用到它。比如我們常用的手機(jī)和電腦等。壓電和電磁是兩種類型的蜂鳴器。一般用“H”和“HA”標(biāo)識(shí)。壓電蜂鳴器由多諧振蕩器、壓電噪聲片、電阻矩陣和其他部分一起組成。

多諧振蕩器是一種由2個(gè)或多個(gè)電子電路和設(shè)備組成的電子儀器，可輸出電波。它必須與直流電源相連，電壓在1.5～15V，盡量穩(wěn)定。它可產(chǎn)生1.5～2.5kHz 的頻率，可以與其他一些組件一起使用，以達(dá)到壓電蜂鳴器的發(fā)聲目的。

壓電噪聲片可以由鋯酸鉛陶瓷材料或壓電鎂粉制成。電磁蜂鳴器電磁噪聲由振動(dòng)器、磁線圈、磁體、振動(dòng)膜片和外殼構(gòu)成。

接觸電源插座后，振蕩器將產(chǎn)生電波和一些別的信息，并且電波還將出現(xiàn)在儀器兩端的繞組中，電磁線圈和磁鐵也將混合以產(chǎn)生線圈的磁場(chǎng)。

三極管蜂鳴器和限流電阻器的組合可形成其驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)榉澍Q器有聲音裝置，如果要使其發(fā)聲，可以在原始材料上在兩側(cè)添加DC和方波。

關(guān)于蜂鳴器聲音的停止，主要受到晶體管Q1的影響，當(dāng)然也受基極電平的一定影響。如果底座較低，則將導(dǎo)致電子管順暢，并且會(huì)發(fā)出聲音。如果過高，內(nèi)管會(huì)發(fā)生阻塞，聲音則停止。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 通信協(xié)議

RFID通信協(xié)議射頻標(biāo)簽和讀卡器通過非接觸式信息通信來交流信息和數(shù)據(jù)。在該智能門禁系統(tǒng)中，通過雙向無線通信性能完成了帶有RFID的信息傳輸。

（1）編碼形式。射頻設(shè)備和讀卡器選擇半雙工通信，可以讓兩者進(jìn)行信息傳輸。射頻識(shí)別利用PWM進(jìn)行編碼，也稱為脈沖寬度調(diào)制編碼。在此輸入控制系統(tǒng)中，將自動(dòng)生成PWM信號(hào)。在編程流程中，使用三位符號(hào)來達(dá)到編碼目的。三位符號(hào)分別表示開始符號(hào)、信息符號(hào)和停止符號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)格式。智能門禁的控制器和射頻卡類型的信息的傳輸必須首先執(zhí)行協(xié)議的制定。數(shù)據(jù)幀是一個(gè)比較抽象的定義，是整個(gè)信息傳遞中的最小單位。它適用于傳輸對(duì)兩者都有意義的連續(xù)數(shù)據(jù)集。根據(jù)它的作用，也可以分為命令幀、數(shù)據(jù)幀等。它們的功能分別是傳輸指令、地址和信息。通常，所存儲(chǔ)的射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)是集成的。

5.2 程序流程圖

5.2.1 主程序流程圖

圖2表示了主程序的構(gòu)造。開機(jī)后，首先，開始初始化操作，并檢測(cè)是否正在尋找工作狀態(tài)的卡。若要查找不處于休眠狀態(tài)的卡，則該卡可以防止碰撞并開始使用。其次，檢查密碼是否準(zhǔn)確。若準(zhǔn)確，則可以打開門鎖，否則，將提醒該卡無效并發(fā)出警報(bào)。

5.2.2 顯示模塊

LCD12864液晶展示板塊是此設(shè)計(jì)中使用的展示屏，這是一個(gè)比較全面的蒸發(fā)器，可以通過發(fā)指令來指導(dǎo)它進(jìn)行工作。該板塊具有一個(gè)包含含義字母的庫和一個(gè)處理器，并具有自己的指令，用戶僅需按照手冊(cè)中的說明使用即可，而且由于其內(nèi)涵庫，用戶還可以省去設(shè)計(jì)字體的時(shí)間。

圖2 主程序流程圖

6 結(jié)論

使用RFID科技的輸入控制系統(tǒng)的控制板塊是STC89C52的單片機(jī)，將系統(tǒng)射頻板塊作為識(shí)別板塊，而且在蜂鳴器的幫助下有一個(gè)警報(bào)電路。所有字體將顯示在LCD 12864上。體系由5伏的直流電來進(jìn)行供電。此設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔，僅用作一個(gè)控件。

但是該體系還有一些其他作用，如使用密碼和指紋來解鎖智能門禁系統(tǒng)，或是現(xiàn)在比較普及的人臉識(shí)別。這些功能部件安裝繁雜且生產(chǎn)成本也比較高。