曹澤玲，王 琪

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

當(dāng)前，國內(nèi)的門禁系統(tǒng)大多基于RFID射頻識別技術(shù)。近場通信(Near Field Communication,NFC)技術(shù)是檢測范圍在10 cm內(nèi)進(jìn)行設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的新型技術(shù),適用于門禁系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)RFID卡相比，NFC卡具有價(jià)格及功率低、兼容性強(qiáng)、安全性更高、可與SD卡集成應(yīng)用等優(yōu)勢。作為近距離無線通信互連領(lǐng)域極富競爭力的技術(shù)，NFC技術(shù)在門禁管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越好。

1 NFC的基本工作原理與工作方式

NFC技術(shù)由無線射頻識別技術(shù)(RFID)演變而來，并向下兼容RFID[1]?；A(chǔ)NFC設(shè)備主要包括Reader、Tag和Application三個(gè)部分，通信模式分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種，工作方式包括點(diǎn)對點(diǎn)模式、讀寫模式、卡模式三種[1]。NFC工作原理可簡單歸納為以下三個(gè)步驟：

(1)偵測標(biāo)簽：NFC讀取器持續(xù)產(chǎn)生頻率為13.56 MHz的正弦波信號，當(dāng)有標(biāo)簽接近磁場擾動(dòng)范圍時(shí)，經(jīng)磁場親合獲得能量，產(chǎn)生原正弦波反頻率或改變頻率屬性的波，讀取器探測到這種改變，知道附近有標(biāo)簽進(jìn)入磁場，或者由有源標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號。

(2)讀取標(biāo)簽：讀寫器通過天線將編碼加載至高頻段的信號發(fā)出，靠近讀寫器的標(biāo)簽檢測到該信號后，標(biāo)簽內(nèi)部芯片相應(yīng)電路對其進(jìn)行整流、調(diào)制、解碼處理，最后對系統(tǒng)請求、權(quán)限等加以判斷。

(3)讀取器讀取到解碼信息并將其交由應(yīng)用軟件處理。

2 NFC的標(biāo)簽與讀取器

2.1 NFC標(biāo)簽

標(biāo)簽包括有源和無源線圈兩種，—般由金屬線圈和邏輯線路組成[1]。設(shè)計(jì)中使用的標(biāo)簽主要由電阻電容及電感和部分線圈組成，其電路如圖1所示。

圖1 標(biāo)簽內(nèi)的集成電路

NFC的標(biāo)簽是被動(dòng)式裝置，可與主動(dòng)式讀寫器進(jìn)行通信。標(biāo)簽自身無源，它在閱讀器產(chǎn)生的電磁場中獲得能量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制，通過直接調(diào)制或相位調(diào)制開始發(fā)送調(diào)制信息。標(biāo)簽與智能手機(jī)間數(shù)據(jù)及能量的交換如圖2所示。

圖2 NFC標(biāo)簽與智能手機(jī)識別與通信

2.2 NFC讀取器

讀取器通常是基于一個(gè)微控制器，帶一個(gè)能產(chǎn)生13.56 MHz無線電頻率的集成電路。內(nèi)部集成有編碼器、解碼器、比較器和天線。Reader的技術(shù)要求[1]主要有：

(1)Reader要能夠通過電磁場為Tag提供足夠的能量；

(2)解決多個(gè)Reader間的干擾；

(3)面對大量的Tag數(shù)據(jù)，Reader要有過濾能力；

(4)收發(fā)信號間有70 dB的差距，要能準(zhǔn)確接收。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 門禁系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的NFC門禁系統(tǒng)[2]主要包括主控制器模塊和非接觸式NFC卡或帶有NFC功能的智能手機(jī)兩部分。其中，主控制器由主控CPU模塊、射頻芯片PN544及天線模塊、門鎖控制模塊、上位機(jī)管理模塊、安全報(bào)警模塊、TFTLCD液晶顯示模塊、按鍵控制模塊等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

系統(tǒng)工作原理是：STM32作為主控CPU加上外圍TFTLCD顯示、按鍵控制、報(bào)警、門鎖控制等模塊組成門禁閱讀器系統(tǒng)，當(dāng)有NFC卡或帶有NFC功能的智能手機(jī)靠近閱讀器時(shí)，由電磁感應(yīng)原理，相關(guān)信息一路反饋至閱讀器控制CPU，CPU發(fā)送門鎖控制指令至各模塊，完成顯示、報(bào)警或電插鎖動(dòng)作，另外可通過鍵盤輸入開鎖密碼直接開鎖；另一路反饋到USB連接的上位機(jī)進(jìn)行用戶信息管理等。

3.2 芯片選型

3.2.1主控芯片

綜合考慮系統(tǒng)控制要求及芯片各方面性能，選用ARM公司的STM32F103RCT6芯片作為主控CPU。其特色包括：功耗小、性價(jià)比高、集成度高、外設(shè)豐富等。外設(shè)包括 UART接口、SPI接口、12位的ADC電路、復(fù)位電路、RC振蕩器等。STM32F103芯片的電壓工作范圍為2 V～3.6 V,I/O口兼容5 V電路,并且包含帶喚醒功能的低功耗模式與安全的時(shí)鐘模式[3]。STM32F103RCT6是64腳STM32F103系列的高端芯片，128 KB的FLash存儲器和高達(dá)20 KB的SRAM可存儲大量用戶數(shù)據(jù)，從而在設(shè)計(jì)門禁控制器時(shí)不需要外接存儲芯片，簡化了整個(gè)設(shè)計(jì)過程[4]。鑒于以上優(yōu)勢，選擇該芯片作為主控CPU。系統(tǒng)外圍電路包含有電源模塊、人機(jī)接口模塊、存儲器、RTC電路、NFC讀卡器接口電路、門禁鎖控制接口電路等部分。主控芯片IO口擴(kuò)展電路圖如圖4所示。

圖3 門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 主控芯片IO口擴(kuò)展

3.2.2NFC芯片PN544

PN544芯片內(nèi)核是基于低功耗HT80C51MX的微控制器，配置128 KB ROM，5 KB動(dòng)態(tài)RAM，52 KB的EEPROM[5]。該芯片是一款性能較好、使用范圍廣、支持協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)豐富的NFC芯片。

NFC芯片中，PN511和PN512內(nèi)部未配置MCU，而PN531及PN532不支持 ISO1443-B 協(xié)議。為了簡化硬件資源，盡量選用攜帶 MCU 的芯片，相同條件下優(yōu)先選用支持標(biāo)準(zhǔn)更多的芯片。PN65N性能更佳但成本較高。相比于其他芯片，PN544 的性能最強(qiáng)，支持協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)最豐富，支持 SWP 協(xié)議，故優(yōu)先選用。

PN544作為系統(tǒng)讀寫器核心部分，是非接觸式模擬卡的核心單元。其主要功能包括：

(1)支持主被/動(dòng)模式。

(2)在讀寫器核心模式下支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包括：ISO14443 TypeA/ISO14443 TypeB、Sony Felica和Mifare Classic、ISO 15693。

(3)點(diǎn)對點(diǎn)模式下數(shù)據(jù)傳輸速率可有106 kb/s、212 kb/s、424 kb/s三種，且可傳輸4種類型的標(biāo)簽數(shù)據(jù)[5]。

圖5所示為系統(tǒng)讀寫器部分PN544核心模塊電路圖。

圖5 PN544核心模塊電路連接圖

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

整個(gè)門禁控制系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)220 V降壓轉(zhuǎn)換為12 V的電源模塊。而系統(tǒng)中用到的電源包括+12 V、+5 V、+3.3 V,其中門鎖控制驅(qū)動(dòng)電壓為+12 V，主CPU及外圍器件使用+3.3 V。通信電路應(yīng)用+5 V電源。因此需要對12 V輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

LM7805是一種具有過壓、過流、過熱保護(hù)的性能穩(wěn)定的三端穩(wěn)壓集成芯片[6]。常用輸入9～15 V，輸出+5 V。設(shè)計(jì)中用其實(shí)現(xiàn)12 V～+5 V的電壓轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如圖6(a)所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路

LM1117是一個(gè)低壓差線性電壓調(diào)壓器,其有5個(gè)固定輸出電壓(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V、5 V),最大電流可達(dá)800 mA[7]。其優(yōu)勢是可提供電流限制和熱保護(hù)功能。設(shè)計(jì)中用其將5 V輸入電源轉(zhuǎn)換成3.3 V。其轉(zhuǎn)換電路如圖6(b)所示。

3.4 門禁鎖控制電路

門鎖控制電路及主控板與NFC讀卡器接口電路如圖7所示，通過STM32的相應(yīng)IO口控制三極管的導(dǎo)通與截止來控制門禁鎖的關(guān)閉與打開，門鎖控制總結(jié)為上電(12 V)開鎖，斷電關(guān)門。門鎖開關(guān)由主控板控制接口與門禁自動(dòng)電插鎖連接經(jīng)信號觸發(fā)實(shí)現(xiàn)。

圖7 門禁鎖控制電路

3.5 人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)接口模塊包括按鍵、指示燈、顯示、蜂鳴器。其中顯示模塊應(yīng)用TFTLCD液晶模塊，其電路連接如圖8所示，按鍵控制模塊采用4×4鍵盤。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 門禁開鎖流程

圖9所示為系統(tǒng)控制主流程圖，系統(tǒng)初始化后分別執(zhí)行喂狗程序、按鍵程序、讀寫器處理程序、顯示子程序及電插鎖動(dòng)作控制程序。

圖8 TFTLCD模塊連接

圖9 門禁系統(tǒng)主程序流程圖

圖10所示為智能NFC卡或移動(dòng)終端開鎖流程圖，預(yù)開鎖用戶首先需經(jīng)過身份認(rèn)證，通過后繼續(xù)檢測NFC卡或終端是否具有開鎖權(quán)限，只有擁有開鎖權(quán)限的用戶才可通過刷NFC卡或手機(jī)來開鎖。

圖10 智能NFC卡或移動(dòng)終端開鎖流程圖

4.2 APP模擬卡開鎖

移動(dòng)終端APP[8]檢測界面顯示如圖11所示。這里通過使用NFC智能手機(jī)代替門禁IC卡的方式，由APP端檢測NFC智能卡，檢測到IC卡的ID，然后通過移動(dòng)終端內(nèi)RE管理器對機(jī)身自帶NFC標(biāo)簽的ID進(jìn)行修改，使之與IC卡相同，之后即可通過手持該智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)門禁開鎖。

圖11 APP檢測界面

4.3 門禁管理上位機(jī)界面

門禁系統(tǒng)上位機(jī)管理采用C#編程實(shí)現(xiàn)，其中包括用戶身份識別、系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間設(shè)置、智能卡的添加與刪除、開鎖密碼的修改等模塊。界面設(shè)置如圖12所示，右上角為系統(tǒng)當(dāng)前日期顯示部分。

在實(shí)驗(yàn)階段上位機(jī)與門禁系統(tǒng)通過USB連接實(shí)現(xiàn)通信與管理。后期使用時(shí)通過無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互與數(shù)據(jù)通信。該部分主要通過C#上位機(jī)通信程序?qū)崿F(xiàn)。

圖12 門禁管理上位機(jī)界面

用戶存儲與管理由管理員通過門禁閱讀器輸入系統(tǒng)密碼及用戶信息管理密碼，進(jìn)行用戶信息添加或刪除處理。或者通過上位機(jī)門禁管理系統(tǒng)，管理員通過輸入用戶ID，識別后根據(jù)用戶詳細(xì)信息進(jìn)行添加或刪除操作。同時(shí)可通過系統(tǒng)對門禁系統(tǒng)的開鎖密碼進(jìn)行更改。

5 系統(tǒng)測試

對整個(gè)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行實(shí)物連接測試，通過智能NFC卡及具有NFC功能的手機(jī)或按鍵輸入設(shè)定密碼皆可實(shí)現(xiàn)門禁鎖的開關(guān)動(dòng)作。測試結(jié)果顯示：門禁控制的基本功能均可實(shí)現(xiàn)，與預(yù)期相符。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于無線通信NFC新型技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)，檢測范圍在10 cm內(nèi)，具有天然的安全性。門禁功能可通過NFC門禁卡、解鎖密碼、智能手機(jī)APP三種方式實(shí)現(xiàn)；門禁系統(tǒng)管理通過USB連接的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于成本較低、功耗較低、兼容性強(qiáng)、天然的

安全性、工作效率較高且系統(tǒng)容錯(cuò)性較好，可基本滿足智能、安全、高效的現(xiàn)代化門禁管理要求。

有待進(jìn)一步改善的是：門禁功能實(shí)現(xiàn)方式中，智能手機(jī)代替IC卡部分可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能卡與SD卡集成方式，其管理可由移動(dòng)終端APP實(shí)現(xiàn)。

[1] 陳俊杰，朱志杰，溫耀軍.基于PN532的接觸式和非接觸式讀卡器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010,36(5):109-113.

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