杜 彬

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

在政府部門、企事業(yè)單位、寫字樓、金融系統(tǒng)、住宅小區(qū)等場所，為了工作、生活的安全與高效，需要進(jìn)行封閉式管理。傳統(tǒng)方法是傳達(dá)室的工作人員人為地對出入人員進(jìn)行登記放行，該方法費時、費力，而且管理不嚴(yán)格，容易產(chǎn)生安全防范上的漏洞。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，門禁系統(tǒng)的發(fā)展已由傳統(tǒng)的登記放行模式發(fā)展到應(yīng)用數(shù)字化自動識別技術(shù)的門禁管理模式，以實現(xiàn)更加安全、高效的管理。

基于射頻識別的門禁系統(tǒng)，其基本原理是使卡與鎖之間實現(xiàn)完整“對話”的過程，以射頻卡來控制門鎖的開啟，它不僅給管理者提供了更安全、更快捷、更自動化的管理模式，而且也給使用者帶來了極大的方便。因此，射頻識別門禁系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的性能和合適的價格，成為目前智能門禁系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種。

1 門禁系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與方案設(shè)計

1.1 射頻識別技術(shù)

射 頻 識 別 （Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是電磁理論，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)［1］，識別工作無需人工干預(yù)，也不局限于視線，識別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

1.2 韋根協(xié)議

射頻識別系統(tǒng)中，射頻讀卡器的輸出數(shù)據(jù)嚴(yán)格遵守Wiegand（韋根）協(xié)議中規(guī)定的格式，該協(xié)議主要定義的數(shù)據(jù)傳輸方式為：Data0 和Data1兩根數(shù)據(jù)線分別傳輸0和1；無信號時兩根線上都是高電平；輸出0時，Data0線上出現(xiàn)負(fù)脈沖；輸出1時，Data1線上出現(xiàn)負(fù)脈沖。Wiegand協(xié)議是國際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有多種格式，標(biāo)準(zhǔn)的26－bit應(yīng)該是最常用的格式。

該協(xié)議的接收對時間的實時性要求較高，如果用查詢法接收會出現(xiàn)一些丟幀的現(xiàn)象。假設(shè)查詢到Data0為0時主程序正在指向其他任務(wù)，等主程序執(zhí)行完該任務(wù)時Data0已經(jīng)變?yōu)?，則會導(dǎo)致一個比特丟失，這樣讀出的卡號在進(jìn)行奇偶校驗時將無法獲得通過，因此會出現(xiàn)CPU 接收不到ID 模塊發(fā)送的卡號的情況。對此，唯一的解決辦法是在外部中斷里接收每個比特信號。

1.3 RS－485通信協(xié)議

隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，通常由單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)都需要與PC 機交換數(shù)據(jù)，以往常用的RS－232協(xié)議存在著諸如傳輸速率慢、傳輸距離短、傳輸信號易受外界干擾等缺點，而RS－485采用了平衡發(fā)送和差分接收的技術(shù)，因此具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測低至200mV 的電壓，故傳輸信號在千米以外也可以得到恢復(fù)［2］。其最大傳輸距離可以達(dá)到1.2km；最大傳輸速率可達(dá)2.5 Mb／s。

1.4 系統(tǒng)總體設(shè)計

門禁系統(tǒng)的設(shè)備主要由射頻卡、讀卡器、單片機門禁控制模塊、電磁鎖及PC機組成。其中單片機門禁控制模塊又包括很多子功能模塊，是整個系統(tǒng)的功能核心，也是本設(shè)計的重點。圖1為門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

進(jìn)門時，射頻卡靠近射頻讀卡器，其中的ID 卡號被讀到射頻讀卡器中，射頻讀卡器經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將Wiegand－26bit格式的ID 卡號輸出，送入單片機系統(tǒng)，經(jīng)過單片機對卡號做進(jìn)門權(quán)限的核對處理，然后決定電磁鎖是否開啟，并將卡號和權(quán)限鑒定結(jié)果顯示在液晶上。鍵盤的設(shè)計是用來作為報警開關(guān)，一旦發(fā)生火災(zāi)或其他意外狀況，按下鍵盤按鍵，電磁鎖將立刻開啟，以便人員疏散。另外，在有需要時管理人員還可以通過PC 機與單片機門禁控制模塊進(jìn)行通信，更改儲存在單片機中的門禁白名單，或者通過PC 機發(fā)送給單片機的指令直接控制門鎖的開啟和關(guān)閉。

圖1 門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)以ATmega16單片機為核心，硬件電路按功能分為了6個模塊：韋根信號讀取模塊、RS－485通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、門鎖控制模塊與ISP程序下載模塊。

韋根信號讀取模塊連接射頻讀卡器與單片機，將射頻讀卡器輸出的韋根信號送入單片機。射頻讀卡器的各輸出引腳中，Data0和Data1接到單片機的兩個外部中斷，用中斷接收韋根信號；BEEP 和LED 則接到PD 口的兩個引腳，通過給這兩個引腳的電平來控制蜂鳴器和LED。

RS－485通信模塊是實現(xiàn)PC 機與單片機通信的模塊，又分為PC 機端的上位機模塊和單片機端的下位機模塊［3］。上位機采用了RS－232與RS－485轉(zhuǎn)換器連接到PC機的串口。下位機則采用了MAX485芯片，在與單片機連接時接線非常簡單，只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A 和B端之間加匹配電阻，一般可選120Ω 的電阻。

門鎖控制模塊則采用三極管來驅(qū)動電磁聯(lián)動鎖的磁感線圈，通過單片機的一個引腳連接三極管的基極來控制磁感線圈的通電與否，從而控制門鎖的開關(guān)。

液晶顯示模塊、報警按鍵模塊和ISP 程序下載模塊采用的是平時常用的基本電路設(shè)計。

該系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計方案，如圖2所示。各模塊的功能實現(xiàn)后再根據(jù)系統(tǒng)的流程圖，將其融合形成系統(tǒng)的軟件。

該系統(tǒng)一共有3種開門方式：射頻卡、報警按鍵和PC機指令。其中射頻卡開門方式是最主要的方式，射頻卡開門的整個軟件流程是利用單片機的外部中斷來實現(xiàn)的［4］。在有需要的時候，PC機會與單片機系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收到的數(shù)據(jù)存入mode，根據(jù)mode的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)門操作或更改白名單的操作。

圖2 軟件設(shè)計模塊

系統(tǒng)完成后，主要的測試項目如下：

（1）門禁系統(tǒng)的基本功能：讀卡是否正常；射頻卡權(quán)限開門與按鍵報警開門是否正常；液晶顯示是否正常。

（2）與PC機通信情況：檢測PC 機能否與單片機進(jìn)行通信；通信能否實現(xiàn)對門禁單片機系統(tǒng)的白名單的調(diào)整以及對門鎖的開關(guān)控制。

（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性：反復(fù)多次讀卡，查看液晶顯示的ID 卡號，觀察出錯概率，從而檢測讀卡的穩(wěn)定性；通過PC 機反復(fù)與門禁單片機系統(tǒng)通信，檢測通信的穩(wěn)定性。

經(jīng)過以上各項測試后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項功能正常。

3 總結(jié)

本文對基于射頻識別的門禁系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和實現(xiàn)。在設(shè)計過程中綜合采用了射頻識別技術(shù)、單片機控制技術(shù)、串行通信技術(shù)等多種技術(shù)，并以ATmega16單片機為核心與RS－485協(xié)議相互配合，對所提出的設(shè)計方案進(jìn)行了實現(xiàn)與驗證。本文的研究工作與得出的結(jié)果有利于多種理論和技術(shù)的融合，對今后的相關(guān)工作中具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 劉青.主動式射頻識別系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2006：19－20.

［2］ 鄭文斌.遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊設(shè)計［D］.長沙：中南大學(xué)，2008：30－31.

［3］ 陸端.RFID 技術(shù)在礦井人員定位中的應(yīng)用研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009：5－10.

［4］ 林挺釗.RFID 中信息動態(tài)處理策略的研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010：23－25.