基于可见光通信的门禁系统

王 金 鹏， 薛 歆 澎， 于 颖， 邹 念 育

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

门禁系统定义为一种对出入口具有管理控制功能的系统[1]。目前应用较为广泛的门禁系统主要有密码门禁系统、刷卡门禁系统和生物识别门禁系统。密码门禁系统需要手动输入密码信息且密码易遗忘和泄露，因此效率低且安全性差。刷卡门禁系统分为接触式和非接触式，接触式卡易磨损，使用次数有限。非接触式门禁系统的无线射频开锁信息易被截获复制，造成信息泄露及财产损失。生物识别门禁系统以指纹、虹膜等人体生物特征的不同作为密匙，虽然安全性高但是比对速度慢。

随着近年来通信行业以及LED材料器件的蓬勃发展，可见光通信技术走入人们的生活。可见光通信技术将光波作为信息的载体并将自由空间作为传输的信道进行信息的传送[2-3]。LED器件的频率响应特性良好，为可见光通信在LED器件上的应用奠定了基础。可见光通信就是让LED发出人眼感知不到的高速闪烁，以此来传输信息，并用光电感应器件接收光信息[4]。可见光通信具有不占用频谱资源的特点[5-6]；可见光通信属于一种点对点的通信方式，由于具有不受电磁干扰的特点，因此具有保密特性[7]。鉴于目前的门禁系统存在比对效率低和安全性差的问题，而可见光通信技术的优点能够有效克服这些问题。

本研究设计了一种基于可见光通信技术的门禁系统。将STC89C52RC单片机作为数据的发送接收处理单元并将可见光作为传输信息的载体，采用IM/DD(强度调制/直接检测)调制方式，将编码信息加载到可见光上实现身份信息的传输。给出了系统各部分的电路设计并进行了实际硬件制作，为了测试系统性能对搭建好的硬件进行了波形测试，结果表明，此可见光通信门禁系统可以实现密码信息的准确传输与接收进而完成开锁操作。

1 系统原理及整体设计

1.1 系统原理

可见光通信的原理图如图1所示。

图1 可见光通信系统的原理图

可见光通信系统主要由LED光源发射端、光电检测的接收端及中间信道传输部分构成[8-9]。原始的待传输信号，经过编码调制之后，加载到光信号上传输，以数字信号“0”“1”的形式发送出去[10]。接收端接收到所传递来的光信号后，进行光电转换，后再经过信号放大均衡等处理进而得到原始信号[11]。

1.2 系统整体设计

门禁系统的组成如图2所示。

此可见光通信门禁系统主要由光钥匙端即信息的发送端、门禁端即信息的接收验证端两部分组成。光钥匙端由负责存储使用者的身份信息和验证是否能通过门禁的密码信息的单片机一与将信息加载到LED上进行传送的LED驱动电路组成。门禁端负责可见光的接收工作，接收到通过可见光传输过来的身份信息以及密码信息，记录时间及频率等信息并进行身份验证，由接收可见光信息的接收电路与单片机二组成。

2 系统软件设计

软件流程图见图3，发送端单片机先完成初始化工作，同时将密码信息进行编码，LED等待数据发送，当接收到数据发送指令时LED将信息发送出去。接收端采用光敏二极管进行接收，光敏二极管可以感应不同亮度变化的光线，从而使光敏二极管两端电压不同，将电压通过LM324运算放大器进行电压跟随及比较，接着将电压变成标准的高低电平输出到接收端的单片机进行解调解码还原出原始数据，最后将还原出的数据与门禁端单片机内存储的身份信息进行对比，根据对比结果进行通过门禁或报警操作。

3 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

本设计采用STC89C52单片机作为控制部分的核心处理器，其管脚图如图4所示。

图3 软件流程图

图4 STC89C52单片机管脚图

STC89C52使用经典MCS-51内核，8 kB Flash，512 B RAM，3个16 b定时器、串口属于全双工串行口、看门狗定时器、两个外部中断口和32 b IO口[12]。为了满足系统的功能，主要使用了STC89C52单片机的两个内部定时器T0、T1，外部中断、串口中断以及串口通信功能。其中两个内部定时器的主要作用是用来产生精确的定时时间并根据此精准的定时时间对接收端收到的可见光采用的脉冲宽度调制频率以及占空比进行计算。时钟电路中采用经典的外部11.0592M石英晶体振荡器，一般在晶体两端接上起振电容，可以增强外部振荡电路的抗干扰能力，使振荡电容起振更加容易。时钟电路如图5所示。

图5 STC89C52单片机时钟电路图

单片机最小系统中还需要一个复位电路。复位电路如图6所示。

图6 STC89C52单片机复位电路图

单片机采用高电平复位方式，当至少两个机器周期的高电平信号加到复位管脚时即可触发单片机复位功能。为了维持系统的可靠运行及调试的方便采用上电自动复位，必要时可手动复位。

3.2 发送与接收模块

密匙信息发送端即LED驱动电路，其中LED驱动电路采用高频率场效应管驱动，I/O口连接到栅极，通过I/O口对栅极的控制，进而控制LED的占空比将信息发送出去。密匙信息发送端如图7所示。

门禁系统的接收端如图8所示。

接收端通过光敏二极管接收到发送端LED传送来的光信号并将占空比不同的光信号转换成电信号，随后把信号送入LM324运算放大器进行信号放大以及电压跟随、比较，将转换成的标准高低电平送入单片机P3.2口。STC89C52的P3.2口为中断触发端口，通过输入的信号触发定时，进而可以算出光信号的载波频率以及脉冲宽度，从编码信息解调出相关数据。

图7 密匙信息发送端

图8 门禁信息接收端

4 系统搭建与分析

根据以上对发送端和接收端电路的设计进行了硬件制作，实物图如图9所示。

可见光通信主要分为视距链路和非视距链路[13-14]。对于系统而言，发送端与接收端的通信距离较短，因此几乎不受多径效应的影响，采用的为视距链路模式。视距链路还可以分为定向视距链路和非定向视距链路，两者的区别在于定向视距链路对发送端和接收端的角度要求较高，几乎对准平行才可以准确接收信息。经过实际硬件的制作和调试，本设计采用定向视距链路，此时传输信息效果比较良好。为了验证实际制作的硬件系统能够准确实现数据信息的传输接收需要对搭建制作好的系统需要进行分析和测试。

图9 硬件实物图

利用示波器对系统的发送端与接收端分别进行波形测试，测试环境如图10所示。

图10 测试环境

发送端与接收端的波形对比如图11、图12所示。

图11 发送端波形

图12 接收端波形

从图11和图12中可以看出，设计的可见光通信门禁系统成功实现了密码信息的传输与接收，且没有出现误判情况，系统可以正常工作。

为了测试此可见光通信门禁系统的比对效率，对实际硬件进行了多次实验，实验结果为接收端指示灯的开启(门锁的开启)与发送端LED灯的开启几乎同时完成，充分表明此可见光通信门禁系统的比对效率较高。

5 结 论

鉴于目前的门禁系统存在低比对效率和安全性不高的问题以及可见光通信技术高速率传输且安全性高的特点，设计了一种基于可见光通信的门禁系统，并对搭建好系统进行了分析和测试。结果表明，搭建的硬件系统可以准确地实现密码信息的传输，且经过多次测试验证了该系统具有较高的比对效率。在近年来可见光通信技术蓬勃发展的背景下，设计的方法具有一定的理论意义和实际应用价值，可见光通信技术将会在门禁领域具有非常有价值的应用前景。