小区门禁控制系统的设计与实现

万 国 帅，李 宝 营，祁 建 广

(大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034)

0 引 言

随着网络科学技术的迅猛发展，射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，逐渐被人们重新认知并得到普遍的重视。作为一种自动ID识别技术，RFID的工作原理是利用射频信号通过空间耦合(电磁感应或电磁传播)，实现无接触信息目标并得到目标物的ID信息以做到识别目的物。感应卡的优点在于便于随身携放，安全有保障，不易损坏，有较强的抗干扰性，并且允许多卡同时进行操作，能在各种不同的情形条件下使用，相比于磁卡和接触式IC卡更让业主安心。本设计将整个小区内的公用的门进行集中管理，采用RFID技术进行身份、权限的识别，使每个业主用一卡可以开任何自己权限的门，为“小区”的管理提供了新的技术方法。

1 系统设计

1.1 系统总体描述

图1所示为系统结构框图[1]。每个门都有一个终端机控制，整个系统通过RS485总线连接在一起，通过终端机采集到门的状态，上传到PC机，通过PC管理整个系统。IC卡在发行给各用户后，具有电子钥匙开门功能，将IC卡在IC卡读卡器前感应，门栋门锁自动打开。首先将必要的信息如开门权限、用户姓名等记录到MF1卡固定位置，读卡机读出卡内信息，根据具体协议进行开门等操作，PC机通过查询方式得到每个门的状态。

如图2所示，终端机采用AT89S52单片机做处理器，通过SPI总线和门外读卡器进行数据通信采集卡内容，判断是否执行开门动作，通过RS485通信模块接收PC机的命令，如挂失操作，把接收到的卡号存入存储器模块用作以后开门的判断。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system architecture

图2 终端机功能框图Fig.2 Block diagram of terminal feature

1.2 处理器和读卡器电路

处理器和读卡器电路如图3所示。采用AT89S52单片机为控制器，处理器是实现系统功能的主要控制器，完成MF1卡识别、数据处理和发出控制命令等功能。MF1卡通过读卡器读卡后，决定该卡是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否有进出入该门禁的权限，并将读到的卡信息传送给门禁控制器，从而控制电磁锁是否开启。接收PC机发送过来的命令，执行相应操作。

图3 处理器和读卡器电路Fig.3 Processor and card reader circuit

读卡器电路采用读卡芯片FM1702为核心，上电后通过各管脚电平自动识别通信方式，设计采用SPI方式。读卡器电路功能是采集MF1卡内容，通过SPI总线传送给处理器模块。在每一次上电或硬件复位后，FM1702会复位微处理器接口处理模块，并且通过检测控制管脚上的电平来设置，FM1702SL的SPI接口符合标准的SPI接口协议，并且只作为slave使用。SPI(Serial Peripheral Interface——串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。

1.3 232／485转换电路和存储器电路

图4为232／485转换电路和存储器电路图。PC机与485总线接口电路采用硬件485电平转换。RS232电平规定逻辑“1”为－5～－15V；逻辑“0”为＋5～＋15V。本设计采用MAX232芯片把PC机的232电平转换成TTL电平，通过MAX485芯片转换成485信号[2]。

图4 RS232／485转换电路和存储器电路Fig.4 RS232／485conversion circuit and storage circuit

MAX485是通过2个引脚RE(2脚)和DE(3脚)来控制数据的输入和输出。当RE为低电平时，MAX485数据输入有效；当DE为高电平时，MAX485数据输出有效。在半双工使用中，通常可以将这2个脚直接相连，然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在接收和发送状态之间转换了。由于本电路DTR和RTS都用于了电路供电，因此使用TX线和MAX232的另外一个通道及Q1来控制MAX485的状态切换。平时MAX232的9脚输出高电平，经Q1倒相后，使MAX485的RE和DE为低电平而处于数据接收状态。当PC机发送数据时，MAX232的9脚输出低电平，经Q1倒相后，使MAX485的RE和DE为高电平而处于数据发送状态。存储器电路实现挂失／激活等操作，每当控制器接收到挂失／激活指令时，控制器会把接收到的卡号存入／删除。

2 软件设计

软件设计主要包括两个内容，分别是前端数据采集读卡程序设计和终端机主程序设计，程序流程图如图5所示[3]。前端数据采集读卡程序主要是权限协议认证过程。权限协议是将数据块4的前10个字节用作权限，每个门都定义一个门号，10个字节一共80位，每位控制一个门，“0”代表可以开门，“1”代表没有开门权限。第11、12字节用作用户代号。通过对读取的卡内容进行辨析，判断是否有权限。终端机主程序是终端机在对各模块初始化结束后，一直处于寻卡状态，当有符合权限的卡接近时，执行开门动作。终端机通过接收PC的指令执行相应的操作，采用多机通信方式，利用M2位。首先寻址，再发数据。帧格式如下：PC机为寻址＋命令＋内容＋数据字节数＋结束符号0FFH；终端机接收后返回接到数据的字节数。命令如下：01H为查询门状态，终端机返回上次接到的数据字节数＋01H(门开状态)或02H(门关状态)；02H为开门命令，终端机返回上次接到的数据字节数，并执行开门命令；03H为改密命令，终端机返回上次接到的数据字节数，并执行改密程序；04H为修改卡内容命令；05H为发新卡命令。

图5 读卡程序和终端机主程序流程图Fig.5 Flow chart of reader program and terminal main program

3 结 论

本设计完成了小区一卡通的门禁系统的底层硬件设计。对射频技术的研究，通过阅读FM1702芯片文档和MF1卡的相关资料，测试通过了单片机与FM1702通信，FM1702与MF1卡通信。完成了底层数据采集部分设计。完成了其他部分底层硬件设计，包括利用74LS574芯片设计了4位数码管动态显示电路、蜂鸣器驱动电路、存储器电路。经过焊接、调试，成功制作了声光提示模块、存储器模块，通过了测试程序。在理论的基础上，设计了备用电源电路、RS－232／485转换电路。分析了它们的可行性，并确定了PC机与单片机之间的通信协议、MF1卡中内容的格式、开门权限的定义。

[1]黄菊生，彭晓燕，彭庚新.Mifare1智能IC卡读写器的设计与开发[J].湖南工程学院学报，2003(12)：71－74.

[2]张毅刚.新编 MCS－51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：251－271.

[3]刘莹，梁楚樵.停车场发卡器与IC卡读写器的设计开发[J].武汉理工大学学报，2006(12)：77－80.