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1  引言

    隨著IC卡技術的日漸普及，早期的機械門鎖正逐步被IC卡門禁系統(tǒng)所取代。IC卡門禁系統(tǒng)倚助IC卡和計算機技術，可方便地實現(xiàn)各種復雜密碼和黑名單設置，可分級、分時控制，可聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)計算機集中管理，以及更進一步地實現(xiàn)城市一卡通。其門禁管理的安全、可靠、高效、靈活、方便，大大優(yōu)于其他現(xiàn)有各類門鎖，已廣泛應用于酒店賓館、智能大廈、銀行、證券、保安等諸多行業(yè)和領域。

    IC卡門禁系統(tǒng)通常以用戶IC卡的卡號為依據(jù)控制門的開啟，為此發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機）必須將合法卡號（或黑名單）通過網(wǎng)絡下載給所有門禁機。而門禁機也需將開門記錄（卡號與時間）上傳給中央控制PC機以實現(xiàn)各門禁點的集中管理。目前，IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡，如RS485、CAN等。這些有線網(wǎng)絡施工布線工作量大，網(wǎng)線易受人為破壞，線路損壞后，故障點不易查找，且易受雷擊和過電壓的影響。

    本文介紹一種基于nRF401無線收發(fā)芯片及PTR2000無線數(shù)傳模塊的IC卡門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需敷設通信線路，相對而言成本較低，可靠性高，便于維護，尤其利于現(xiàn)有老社區(qū)、舊辦公樓的智能化改造。

2  系統(tǒng)硬件

    (1)  系統(tǒng)硬件構成

    系統(tǒng)采用PHILIPS公司的非接觸智能IC卡Mifare 1卡，其讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定距離之內(nèi)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用方便、快捷，不易損壞，特別適合門禁系統(tǒng)頻繁操作的特點。系統(tǒng)以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN（全球唯一）為依據(jù)控制門的開啟。系統(tǒng)工作流程如下：發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機）里將用戶的卡號及個人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機。當M1卡進入門禁機的有效工作范圍內(nèi)時，門禁機讀取M1卡的序列號SN，判斷收到的卡號是否合法，合法則驅(qū)動電磁門鎖開門，并暫時保存其開門記錄；如果是非法卡（未經(jīng)授權或已掛失的卡）則拒絕開門并上傳報警信息。系統(tǒng)定時采集各門禁點的出入記錄并加以存儲、分析、處理。

圖1  無線數(shù)傳IC卡門禁系統(tǒng)硬件構成框圖


圖2  無線數(shù)傳IC卡門禁機硬件電路

   系統(tǒng)的硬件構成如圖1所示，由若干個分布于各門禁點的無線IC卡門禁機（從機）和一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)器（主機）及一臺中央控制電腦構成。無線門禁機與無線數(shù)據(jù)收發(fā)器之間采用雙向無線通訊，中央控制計算機通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器向門禁機發(fā)送命令、下載數(shù)據(jù)以及接收門禁機上傳的信息。各門禁機門禁記錄分時送給無線數(shù)據(jù)收發(fā)器， 無線數(shù)據(jù)收發(fā)器與中央控制計算機間采用RS232串口通訊。系統(tǒng)所有的管理工作都由計算機完成，如發(fā)卡、查詢、掛失、解掛、下傳黑名單、接收開門記錄、統(tǒng)計分析、打印報表等。

    圖2為非接觸IC卡門禁機硬件電路框圖，主要由Mifare卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權卡號存儲器、時鐘電路、監(jiān)控電路、與PC機通信的無線通信接口電路以及電磁門鎖等部分組成。

    (2)  無線數(shù)傳模塊

    系統(tǒng)的無線數(shù)傳模塊采用了NORDIC公司的無線數(shù)傳產(chǎn)品，其中無線門禁機采用單片無線收發(fā)一體芯片nRF401構成無線數(shù)傳接口電路，PC機端的無線收發(fā)器則采用基于nRF401無線收發(fā)芯片的無線收發(fā)模塊PTR2000，可直接與中央控制PC機的RS232串口接口，使用簡單方便。

    nRF401無線收發(fā)芯片采用藍牙核心技術設計，最大發(fā)射功率為10dBm，接收靈敏度最大可達-105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Kbps。nRF401工作在433MHz ISM 頻段，無需申請頻點；調(diào)制方式為FSK，采用高效前向糾錯信道編碼技術，抗干擾能力強；并采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；提供透明的數(shù)據(jù)接口；具有多個頻道，可方便地切換工作頻率，特別滿足需要多信道工作的特殊場合。由nRF401構成的門禁機無線數(shù)傳接口電路硬件原理圖如圖3所示。

3  無線數(shù)據(jù)傳輸方式

    (1)  無線數(shù)據(jù)傳輸局域網(wǎng)

    由無線收發(fā)模塊PTR2000和PC機構成的主機與若干門禁機從機組成一個無線局域網(wǎng)，采用廣播方式實現(xiàn)點對多點的通信。nRF 的通信信道是半雙工的，這種方式首先需要設1 個主站，其余為從站，所有從站地址唯一。通信的協(xié)調(diào)完全由主站控制，主站采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，從站全部都接收，并將接收的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不做任何響應；地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的，從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進行不同的響應，將響應的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。據(jù)此制定的通信協(xié)議可保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一個電臺處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。

    (2)  數(shù)據(jù)的全透明傳輸

    nRF 的數(shù)據(jù)傳輸采用透明模式（T 模式），在這種模式下，信息流通過無線信道時僅由無線信道傳輸方案提供的前向糾錯機制完成糾錯，在傳輸速率較低情況下能得到較好的傳輸效果。透明的數(shù)據(jù)接口，能適應任何標準或非標準的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)（所收即所發(fā)）。

    (3)  移頻鍵控（FSK）調(diào)制方式

    這是相當于模擬調(diào)頻（FM）的數(shù)字調(diào)制方式，它使數(shù)字信號的“1”、“0”分別對應于載波的不同頻率，這時載波也是脈沖形式。

    (4)  前向通道編碼糾錯技術

    由于數(shù)字信號在傳輸中受到衰減、雜波、干擾等所造成的質(zhì)量劣化是突變性的。也就是說，數(shù)字信號在衰減、雜波或干擾沒有達到某一門限之前，只要接收設備能判別出0 碼和1 碼，質(zhì)量就不會受到大的影響；而一旦超過此門限，接收設備判別不出0 碼和1 碼，信號就會丟失。因此，在數(shù)字信號傳輸中最重要的是防止誤碼。本系統(tǒng)在無線傳輸協(xié)議中采用了奇偶校驗前向通道編碼技術，在信號源的原數(shù)碼序列中以作為誤差控制用的奇偶校驗碼，來實現(xiàn)自動檢錯的目的。接收端收到后，按預先定的規(guī)則進行解碼，確定信息中有無錯誤，若無錯誤，確定其位置并進行糾正。通過信道編碼降低了數(shù)字信號的誤碼率，提高信號傳輸?shù)目煽啃裕? 次傳輸200byte較長的數(shù)據(jù)幀。

圖4  無線門禁機通信中斷服務子程序流程圖

4  系統(tǒng)通信軟件

    (1)  通信協(xié)議

    本系統(tǒng)通信速率為9600bit/s，采用1 個起始位、8 個數(shù)據(jù)位、1 個停止位的幀格式。門禁機與中央PC機之間的數(shù)據(jù)塊長度最大為32byte，數(shù)據(jù)包格式如下：

   

    其中，第一字節(jié)為標志字節(jié)，為D7H時標志著數(shù)據(jù)傳輸開始；第二字節(jié)為控制字節(jié)，其值不大于30H為數(shù)據(jù)塊長度，表示后面所傳遞的是數(shù)據(jù)。當其值大于30H時表示后面的所傳遞的是命令字或地址，三種控制字為：

    60H―地址；
    61H―主機發(fā)送，從機接收（下載合法卡號或黑名單）；
    62H―從機發(fā)送，主機接收 （上傳出入記錄）。

    根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求，將系統(tǒng)通信軟件軟件劃分為PC機端軟件和門禁機端軟件兩部分分別進行設計。

    (2)  門禁機通信軟件

    門禁機端的接收和發(fā)送都由中央控制PC機的指令觸發(fā)。當門禁機接收到來自PC機的通訊頭字節(jié)D7H時，接收其后的控制字節(jié)并根據(jù)控制字判斷將要進行的操作。各門禁機首先將接收到的地址號與本機地址進行比較，所有比較不相符的門禁機均從中斷服務子程序中退出，只有比較成功的門禁機才回送本機地址作為應答并置位地址標志。PC機接收到應答后下達命令觸發(fā)該門禁機的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收操作。門禁機無線通信中斷服務子程序流程圖如圖4所示。

    (3)  PC機通信軟件

    PC機端的無線通信采用VB語言進行編程。在標準RS232串口通信方面，VB提供了具有強大功能的通信控件Mscomm。該控件可設置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進行設置。這是一個標準的10位串口通信，包括8位數(shù)據(jù)、1位起始位和1位停止位。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過程中觸發(fā)OnComm事件，通過編程訪問CommEvent的屬性了解通信事件的類型，進行各自的處理。控件提供了功能完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式：事件驅(qū)動方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯誤及事件；查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯誤。在本系統(tǒng)中采用的是事件驅(qū)動方式。PC機端通信程序流程如圖5所示。

圖5  PC機通信程序流程圖

5  結語

    本系統(tǒng)采用先進的無線數(shù)傳技術實現(xiàn)IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)與控制信息的無線傳輸，該系統(tǒng)由于省去了集中器和485 布線，使工程造價大大降低，為門禁控制提供了安全可靠而又靈活方便的實施方案。

參考文獻：
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