基于STM8L的门锁控制和状态识别*

高小明

(西南科技大学 计算机科学与技术学院,绵阳 621010)



高小明

(西南科技大学 计算机科学与技术学院,绵阳 621010)

门禁系统是一种管理人员进出的数字化智能系统，可以实时监控门的状态和合法用户的进出状况，防止非法用户强制闯入。门禁系统作为智能家居系统的一部分，在现代安防领域发挥了巨大作用，也给用户的使用和管理带来了极大的便利性、高效性和安全性。本文介绍了利用具有超低功耗的STM8L微控制器为控制核心，设计了基于125 KHz的射频读卡模块，采用EM4100系列ID卡作为用户身份识别卡，实现了对门锁的控制和状态的识别，并通过总线方式与服务器进行通信。实践表明，该系统整体功耗低、性能稳定、使用安全、管理方便。

门禁控制系统；射频识别；STM8L；总线通信；安防

引 言

在现代安防领域，门禁系统是安防自动化系统的一个重要环节，它对房间的出入口进行有效控制，通过身份认证的方式，允许合法人员的进出。门禁控制器主要实现用户身份信息的读取、合法身份比对、门锁的控制、与服务器进行数据通信等功能。本系统利用ST公司的基于STM8L的超低功耗微控制器为主控芯片，采用125 kHz的具有唯一标识的ID识别卡作为用户身份卡，并自行设计了ID卡读卡器及卡号解码程序，结合门锁控制模块、数据通信模块实现门禁系统的管理与控制。

1 系统方案设计

门禁控制器主要通过读取用户ID身份信息，通过与本机合法ID数据列表进行比对，并根据比对结果进行门锁的控制，并将操作数据传输给门禁服务器。本方案采用本地控制器存储合法用户的模式，一方面可以保证用户使用的实时性，另一方面可以保证即使在通信系统或服务器出现故障的情况下，依然能够进行门禁的正常操作。服务器系统仅用于ID卡号的添加、删除、权限管理、事件查询等功能。

微控制器(MCU)采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6，该MCU采用了全新的超低漏电工艺和优化的体系结构，集高性能与低功耗于一体，具备4种超低功耗工作模式，可以满足6 μA以内需要连续使用的要求，以及对低功耗有特殊要求的多种应用。

读卡器采用自行设计的低功耗125 kHz射频卡读卡器，读写距离在5～10 cm,能够满足日常用户使用的需要。系统整机结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2 电路系统设计

2.1 ID卡读卡器电路

ID卡采用一种非接触、无源的射频识别技术，利用射频信号及空间信号耦合传输特性，实现ID卡与读卡器之间的数据交互。ID卡作为应答器，内部本身不需要电池，内部所需要的电量全部来源于应答器与读卡器通过线圈耦合获取能量。因此，读卡器的天线直接影响到应答器的通信质量，其实现原理如图2所示。

图2 无线识别系统框图

为保证达到最佳通信效果，读卡器的天线回路与应答器的天线回路工作处于谐振状态，这样耦合功率最高，否则，将大大降低系统的性能。读卡器与应答器的两个天线回路L1、L2之间的互感系数定义如下：

(1)

天线回路的耦合系数定义为：

(2)

互感系数描述了两个回路通过磁场产生的耦合情况。耦合系数在0≤K≤1的极限范围内变化。K随距离的变化而变化，当K=0时由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦；K=1处于全耦合状态。为保证可靠的通信，在5～10cm范围内，应保证K尽可能大。

ID卡读卡器主要包括发射电路和接收电路两个部分，发射部分用于驱动产生标准125kHz载波信号，接收部分用于从载波信号中提取用户ID卡唯一编号。载波发射驱动电路如图3所示。

图3 载波发射驱动电路

应答器在接收到读卡器的载波信号后，耦合产生电能，并将ID卡号通过天线传输出去，接收电路将收到带有数据信息的载波信号，通过对信号滤波、检波、整流、比较放大等处理，提取数据信息，射频识别接收电路如图4所示。

图4 射频识别接收电路

为保证信号处于完全耦合状况，天线设计至关重要，本系统采用漆包线紧密绕制而成，回路处于谐振状态，则：

(3)

而天线的电感与线圈的直径、导体直径等相关，绕制线圈的电感值由以下公式确定：

(4)

其中：N表示线圈绕制匝数；μ0表示磁场常数；R表示线圈半径；d表示导体直径。

在f=125kHz的情况下，根据式(3)、(4)确定谐振情况下的电感值L，然后根据电感及实际应用环境绕制合适的天线。天线接收ID卡信息后，通过一系列电路处理后，最终以数字信号的形式输出，该信号可直接连接到微控制器的端口，实现数据的采集。

2.2 微控制器系统电路

本系统采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6，该芯片内部集成了1个8位定时器、3个16位定时器，并且所有GPIO均可以配置成中断模式，方便实现数据的采集；内部集成的串口可用于门控制器与服务器的通信。本系统微控制器部分电路如图5所示。

图5 微控制器系统电路

实际应用中，系统采用了该微控制器芯片内部自带的一个16 MHz的RC振荡器，进一步降低了系统的功耗，利用一个32.768 kHz的外部石英晶振，用于系统内部实时时钟。

2.3 门锁控制电路

图6 电机锁控制电路

门锁控制电路主要实现电机锁的开启、关闭状态的识别，本系统采用了浙江宏泰电子设备有限公司的灵性锁。该锁采用12 V电源供电，利用两根数据线L+、L-控制开启，利用S+、S-反馈状态，微控制器通过相应的驱动隔离电路直接与这4根线进行通信。其电路如图6所示。

2.4 通信电路

通信电路主要实现门控制器与控制主机的通信，主机实现对整栋楼所有门控制器的管理。在实际应用中，采用RS485总线型通信方式，门控制器端采用串口转RS485的形式实现通信，其电路如图7所示。

图7 RS485总线通信电路

3 软件系统设计

3.1 ID卡数据解码

125 kHz的典型ID卡主要是瑞士的EM4100系列、台湾的4001系列，该类型ID卡内部有64位激光可编程ROM，采用曼切斯特码进行调制，单个数据位的宽度为512 μs，其数据结格式如图8所示。

图8 ID卡数据格式

ID卡ROM中的数据以连续的9个“1”作为头数据，用于读取数据时同步，D00～D90为ID卡号数据，具有唯一编号，P0～P9为对应的行校验位，C0～C3为对应的列校验位，最后以0结束。

根据曼彻斯特编码原则，上升沿对应的位表示数据“0”，下降沿对应的位表示数据“1”，因此，利用微控制器端口边沿触发中断和定时器延迟计算相结合的方式实现对外部数据的采集，在利用曼彻斯特编码规则将采集的数据还原成用户ID卡号，处理流程略——编者注。

3.2 门禁控制器处理软件

处理软件主要实现用户权限的管理、门锁的控制、门锁状态的监控、网络通信等功能，在平时待机状态下则转入到低功耗模式，以节省电能。整机工作流程略——编者注。

4 方案测试结果

4.1 测试目标、方法与仪器

根据上面叙述的方法设计并实现了该套系统，并部署在我院办公大楼，单门个数达99个，并经过了长期应用测试。针对单个门禁控制器性能做了如下测试，见表1。

表1 测试目标、方法与仪器

4.2 测试结果

在测试中，采用标准的ID卡测试卡面与读卡器天线之间能够正常通信的距离，在读卡正常的情况下统计ID卡的误码率，并测试了服务器与门禁控制器的通信可靠性。测试结果如表2所列。

表2 测试结果

4.3 测试结果分析

上述测试中采用了4个不同的模块，对每个模块进行了测试，正常情况下ID卡的识别距离均能达到11 cm，在距离较远的情况下，误码率比较高。

同时在门状态发生改变的情况下，由于系统中断的原因，也会产生一定的误码率，在正常使用的情况下，刷卡出现误码的概率极低，完全能够满足正常使用的需要。对系统通信进行了长达数十小时的数据统计测试，未发现传输数据丢失和错误的情况，与数据传输波特率较低(1 200 bps)有一定关系。实验证明，该系统工作较为稳定。

结 语

本文介绍了采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6设计门禁控制器的原理及方法，系统电路结构简单，体积小巧，安装方便，目前已投入正常使用。

且在使用中也经历了雷雨天气的考验，经过实践证明，该系统完全能够满足办公楼群及智能小区门禁控制的需要，系统使用安全、管理方便，具有较大的市场应用空间。

[1] 刘淑英，蔡胜乐，王文辉.电路与电子学[M]．2版.北京：电子工业出版社，2002.

[2] 李卓徽．基于RFID的人员身份识别及定位系统研制[J]．计算机测量与控制,2012, 20(8):2281-2284.

[3] 邓强东,王立斌. 一种高效可证明安全的RFID认证协议[J].小型微型计算机系统，2012, 33(11):2508-2512.

[4] 周权，王奕，李仁发．RFID系统中低功耗JH算法的设计与实现[J]．小型微型计算机系统, 2013, 34(8):1944-1948.

[5] 张挺，熊璋，王剑昆，等．一个面向低功耗设计的RFID 系统研究与实现[J]．小型微型计算机系统，2006，27(11) : 2090-2093．

[6] 周永彬，冯登国．RFID安全协议的设计与分析[J]．计算机学报，2006，29(4) : 581-589．

[7] 丁振华,李锦涛,冯波．基于Hash函数的RFID安全认证协议研究[J]．计算机研究与发展，2009，46(4) : 583-592．

[8] 马昌社．前向隐私的低成本RFID认证协议[J]．计算机学报，2011，34(8) : 1387-1397．

[9] 张博,李军怀,王志晓,等．RFID并行化定位方法研究与实现[J]．计算机工程与应用，2012，12(20): 687-697．

[10] 谷峪,于戈,李传文．半限制空间内的RFID可能性k-近邻查询技术[J]．软件学报，2012，23(3): 565-581．

[11] 张忠，徐秋亮．物联网环境下UC安全的组证明RFID协议[J]．计算机学报，2011，34(7): 1188-1194．

[12] 吴爱华．多固定阅读器下基于路径约束的RFID数据清洗算法[J]．计算机研究与发展，2011，48(1): 282-289．

[13] 金宏，王宏安，唐雪梅，等．计算机控制中的模糊调度设计[J]．计算机学报，2006，29(3): 414-421．

[14] 鲍可进,姚成. 基于双核数字信号处理器的人脸识别门禁系统[ J].计算机应用,2010, 30(9): 2553- 2555.

高小明(硕士)，主要研究方向为嵌入式系统技术、数字信号处理、嵌入式图像处理。

Gao Xiaoming

(School of Computer Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)

Gate-guarding system is a smart digital system which is used to control the access of people.It can monitor the state of the doors and the legal users in real time, and then prevents the illegal users breaking in the door. As part of the smart home furnishing system, the gate-guarding system plays an important role in modern security field, and it also brings convenience, effectiveness and safety to the using and administration of the users. This paper introduces a design using the ultra-low power STM8L microcontroller as the controlling center, and a 125 kHz radio frequency card reader module is implemented using EM4100 series ID card as user’s identity to control the lock and recognize the states, and the communication with the server is carried on through bus. The experiment results show that the system is low power consumption, stable in functioning, safe to use and easy to administrate.

gate-guarding system； RFID； STM8L；bus communication；security

国家自然科学基金资助项目(项目编号：61202044)。

TP273.5

A

迪娜

2013-12-24)