1  引言

    隨著IC卡技術(shù)的日漸普及，早期的機(jī)械門鎖正逐步被IC卡門禁系統(tǒng)所取代。IC卡門禁系統(tǒng)倚助IC卡和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜密碼和黑名單設(shè)置，可分級(jí)、分時(shí)控制，可聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中管理，以及更進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)城市一卡通。其門禁管理的安全、可靠、高效、靈活、方便，大大優(yōu)于其他現(xiàn)有各類門鎖，已廣泛應(yīng)用于酒店賓館、智能大廈、銀行、證券、保安等諸多行業(yè)和領(lǐng)域。

    IC卡門禁系統(tǒng)通常以用戶IC卡的卡號(hào)為依據(jù)控制門的開(kāi)啟，為此發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機(jī)）必須將合法卡號(hào)（或黑名單）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載給所有門禁機(jī)。而門禁機(jī)也需將開(kāi)門記錄（卡號(hào)與時(shí)間）上傳給中央控制PC機(jī)以實(shí)現(xiàn)各門禁點(diǎn)的集中管理。目前，IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡(luò)，如RS485、CAN等。這些有線網(wǎng)絡(luò)施工布線工作量大，網(wǎng)線易受人為破壞，線路損壞后，故障點(diǎn)不易查找，且易受雷擊和過(guò)電壓的影響。

    本文介紹一種基于nRF401無(wú)線收發(fā)芯片及PTR2000無(wú)線數(shù)傳模塊的IC卡門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)需敷設(shè)通信線路，相對(duì)而言成本較低，可靠性高，便于維護(hù)，尤其利于現(xiàn)有老社區(qū)、舊辦公樓的智能化改造。

2  系統(tǒng)硬件

    (1)  系統(tǒng)硬件構(gòu)成

    系統(tǒng)采用PHILIPS公司的非接觸智能IC卡Mifare 1卡，其讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定距離之內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無(wú)需任何接觸，使用方便、快捷，不易損壞，特別適合門禁系統(tǒng)頻繁操作的特點(diǎn)。系統(tǒng)以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號(hào)SN（全球唯一）為依據(jù)控制門的開(kāi)啟。系統(tǒng)工作流程如下：發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機(jī)）里將用戶的卡號(hào)及個(gè)人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將該卡號(hào)作為合法卡號(hào)下載給所有門禁機(jī)。當(dāng)M1卡進(jìn)入門禁機(jī)的有效工作范圍內(nèi)時(shí)，門禁機(jī)讀取M1卡的序列號(hào)SN，判斷收到的卡號(hào)是否合法，合法則驅(qū)動(dòng)電磁門鎖開(kāi)門，并暫時(shí)保存其開(kāi)門記錄；如果是非法卡（未經(jīng)授權(quán)或已掛失的卡）則拒絕開(kāi)門并上傳報(bào)警信息。系統(tǒng)定時(shí)采集各門禁點(diǎn)的出入記錄并加以存儲(chǔ)、分析、處理。

圖1  無(wú)線數(shù)傳IC卡門禁系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖


圖2  無(wú)線數(shù)傳IC卡門禁機(jī)硬件電路

   系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示，由若干個(gè)分布于各門禁點(diǎn)的無(wú)線IC卡門禁機(jī)（從機(jī)）和一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器（主機(jī)）及一臺(tái)中央控制電腦構(gòu)成。無(wú)線門禁機(jī)與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器之間采用雙向無(wú)線通訊，中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器向門禁機(jī)發(fā)送命令、下載數(shù)據(jù)以及接收門禁機(jī)上傳的信息。各門禁機(jī)門禁記錄分時(shí)送給無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器， 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器與中央控制計(jì)算機(jī)間采用RS232串口通訊。系統(tǒng)所有的管理工作都由計(jì)算機(jī)完成，如發(fā)卡、查詢、掛失、解掛、下傳黑名單、接收開(kāi)門記錄、統(tǒng)計(jì)分析、打印報(bào)表等。

    圖2為非接觸IC卡門禁機(jī)硬件電路框圖，主要由Mifare卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權(quán)卡號(hào)存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、監(jiān)控電路、與PC機(jī)通信的無(wú)線通信接口電路以及電磁門鎖等部分組成。

    (2)  無(wú)線數(shù)傳模塊

    系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)傳模塊采用了NORDIC公司的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品，其中無(wú)線門禁機(jī)采用單片無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF401構(gòu)成無(wú)線數(shù)傳接口電路，PC機(jī)端的無(wú)線收發(fā)器則采用基于nRF401無(wú)線收發(fā)芯片的無(wú)線收發(fā)模塊PTR2000，可直接與中央控制PC機(jī)的RS232串口接口，使用簡(jiǎn)單方便。

    nRF401無(wú)線收發(fā)芯片采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，最大發(fā)射功率為10dBm，接收靈敏度最大可達(dá)-105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps。nRF401工作在433MHz ISM 頻段，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)；調(diào)制方式為FSK，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；提供透明的數(shù)據(jù)接口；具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率，特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。由nRF401構(gòu)成的門禁機(jī)無(wú)線數(shù)傳接口電路硬件原理圖如圖3所示。

3  無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式

    (1)  無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸局域網(wǎng)

    由無(wú)線收發(fā)模塊PTR2000和PC機(jī)構(gòu)成的主機(jī)與若干門禁機(jī)從機(jī)組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，采用廣播方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。nRF 的通信信道是半雙工的，這種方式首先需要設(shè)1 個(gè)主站，其余為從站，所有從站地址唯一。通信的協(xié)調(diào)完全由主站控制，主站采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，從站全部都接收，并將接收的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不做任何響應(yīng)；地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的，從站根據(jù)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行不同的響應(yīng)，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。據(jù)此制定的通信協(xié)議可保證在任何一個(gè)瞬間，通信網(wǎng)中只有一個(gè)電臺(tái)處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。

    (2)  數(shù)據(jù)的全透明傳輸

    nRF 的數(shù)據(jù)傳輸采用透明模式（T 模式），在這種模式下，信息流通過(guò)無(wú)線信道時(shí)僅由無(wú)線信道傳輸方案提供的前向糾錯(cuò)機(jī)制完成糾錯(cuò)，在傳輸速率較低情況下能得到較好的傳輸效果。透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動(dòng)過(guò)濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)（所收即所發(fā)）。

    (3)  移頻鍵控（FSK）調(diào)制方式

    這是相當(dāng)于模擬調(diào)頻（FM）的數(shù)字調(diào)制方式，它使數(shù)字信號(hào)的“1”、“0”分別對(duì)應(yīng)于載波的不同頻率，這時(shí)載波也是脈沖形式。

    (4)  前向通道編碼糾錯(cuò)技術(shù)

    由于數(shù)字信號(hào)在傳輸中受到衰減、雜波、干擾等所造成的質(zhì)量劣化是突變性的。也就是說(shuō)，數(shù)字信號(hào)在衰減、雜波或干擾沒(méi)有達(dá)到某一門限之前，只要接收設(shè)備能判別出0 碼和1 碼，質(zhì)量就不會(huì)受到大的影響；而一旦超過(guò)此門限，接收設(shè)備判別不出0 碼和1 碼，信號(hào)就會(huì)丟失。因此，在數(shù)字信號(hào)傳輸中最重要的是防止誤碼。本系統(tǒng)在無(wú)線傳輸協(xié)議中采用了奇偶校驗(yàn)前向通道編碼技術(shù)，在信號(hào)源的原數(shù)碼序列中以作為誤差控制用的奇偶校驗(yàn)碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢錯(cuò)的目的。接收端收到后，按預(yù)先定的規(guī)則進(jìn)行解碼，確定信息中有無(wú)錯(cuò)誤，若無(wú)錯(cuò)誤，確定其位置并進(jìn)行糾正。通過(guò)信道編碼降低了數(shù)字信號(hào)的誤碼率，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕? 次傳輸200byte較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。

圖4  無(wú)線門禁機(jī)通信中斷服務(wù)子程序流程圖

4  系統(tǒng)通信軟件

    (1)  通信協(xié)議

    本系統(tǒng)通信速率為9600bit/s，采用1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)停止位的幀格式。門禁機(jī)與中央PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度最大為32byte，數(shù)據(jù)包格式如下：

   

    其中，第一字節(jié)為標(biāo)志字節(jié)，為D7H時(shí)標(biāo)志著數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始；第二字節(jié)為控制字節(jié)，其值不大于30H為數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度，表示后面所傳遞的是數(shù)據(jù)。當(dāng)其值大于30H時(shí)表示后面的所傳遞的是命令字或地址，三種控制字為：

    60H―地址；
    61H―主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收（下載合法卡號(hào)或黑名單）；
    62H―從機(jī)發(fā)送，主機(jī)接收 （上傳出入記錄）。

    根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求，將系統(tǒng)通信軟件軟件劃分為PC機(jī)端軟件和門禁機(jī)端軟件兩部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    (2)  門禁機(jī)通信軟件

    門禁機(jī)端的接收和發(fā)送都由中央控制PC機(jī)的指令觸發(fā)。當(dāng)門禁機(jī)接收到來(lái)自PC機(jī)的通訊頭字節(jié)D7H時(shí)，接收其后的控制字節(jié)并根據(jù)控制字判斷將要進(jìn)行的操作。各門禁機(jī)首先將接收到的地址號(hào)與本機(jī)地址進(jìn)行比較，所有比較不相符的門禁機(jī)均從中斷服務(wù)子程序中退出，只有比較成功的門禁機(jī)才回送本機(jī)地址作為應(yīng)答并置位地址標(biāo)志。PC機(jī)接收到應(yīng)答后下達(dá)命令觸發(fā)該門禁機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收操作。門禁機(jī)無(wú)線通信中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

    (3)  PC機(jī)通信軟件

    PC機(jī)端的無(wú)線通信采用VB語(yǔ)言進(jìn)行編程。在標(biāo)準(zhǔn)RS232串口通信方面，VB提供了具有強(qiáng)大功能的通信控件Mscomm。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信，包括8位數(shù)據(jù)、1位起始位和1位停止位。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過(guò)程中觸發(fā)OnComm事件，通過(guò)編程訪問(wèn)CommEvent的屬性了解通信事件的類型，進(jìn)行各自的處理。控件提供了功能完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式：事件驅(qū)動(dòng)方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯(cuò)誤及事件；查詢方式，通過(guò)檢查CommEvent屬性的值來(lái)判斷事件和錯(cuò)誤。在本系統(tǒng)中采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式。PC機(jī)端通信程序流程如圖5所示。

圖5  PC機(jī)通信程序流程圖

5  結(jié)語(yǔ)

    本系統(tǒng)采用先進(jìn)的無(wú)線數(shù)傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)與控制信息的無(wú)線傳輸，該系統(tǒng)由于省去了集中器和485 布線，使工程造價(jià)大大降低，為門禁控制提供了安全可靠而又靈活方便的實(shí)施方案。

參考文獻(xiàn)：
[1]  劉守義, 毛豐江. 智能卡技術(shù)[M]. 西安: 西安電子工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.
[2]  Datasheet of 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401, Nordic VLSI, 2002.
[3]  Gil Held.無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)-藍(lán)樂(lè), WEB 和WLAN[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2001.
[4]  Fischer R A, Laakonen A S, Schulz N N. A general pooling algorithm using a wireless AMR system for restoration confirmation. IEEE Transon Power Systems, 2001, 16(2): 312-316.