基于MFRC530射頻芯片及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)型門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一． 引言

在數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，門禁技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，它已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。門禁系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了單一密碼鍵盤門禁系統(tǒng)、IC卡門禁系統(tǒng)、非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)，到現(xiàn)在最新的生物識別門禁系統(tǒng)。非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)由于其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)異的性能，得到了廣泛的應(yīng)用。某音樂學(xué)院琴房14層大廈300多個(gè)琴房，過去一直采用的管理辦法是學(xué)生在琴房管理中心登記領(lǐng)用鑰匙使用琴房。這種管理辦法存在著很多弊端，例如學(xué)生會私自配備琴房的鑰匙從而不通過琴房管理中心登記私自使用琴房，或者學(xué)生在退還鑰匙離開時(shí)不能保證琴房里已經(jīng)無人。而且琴房內(nèi)設(shè)備貴重的數(shù)百萬若有損壞難以確定損壞人，給學(xué)校的財(cái)產(chǎn)安全帶來隱患。因此給琴房的管理帶來了一定的難度。為了達(dá)到對琴房科學(xué)高效的管理，本文提出了一種聯(lián)機(jī)型的門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對整個(gè)樓的琴房進(jìn)行集中控制、集中管理。

二． 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文受國家自然科學(xué)基金（編號：60472044）和北京化工大學(xué)青年教師自然科學(xué)研究基金（編號：QN0518）資助。

系統(tǒng)采用分層次分布式集中控制方案，將所有門禁讀卡器組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，其組成如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括管理中心服務(wù)器、樓層PC、門禁讀卡器三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。

管理中心服務(wù)器是整個(gè)門禁系統(tǒng)的管理和控制中心，同時(shí)運(yùn)行有琴房管理系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用支持網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，方便功能的擴(kuò)展。為了達(dá)到對所有琴房進(jìn)行統(tǒng)一管理的目的，使用琴房的學(xué)生要用學(xué)生一卡通在管理中心通過琴房管理系統(tǒng)登記分配琴房，并將學(xué)生個(gè)人信息存入數(shù)據(jù)庫。使用后要在管理中心通過琴房管理系統(tǒng)退還房間，以便考勤及查詢。通過管理系統(tǒng)程序可以清晰的查詢到每個(gè)房間的使用狀態(tài)、進(jìn)出記錄等。

樓層PC上運(yùn)行門禁控制服務(wù)程序，是負(fù)責(zé)門禁讀卡器與管理中心服務(wù)器溝通的橋梁。門禁控制服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)RS485和TCP/IP通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本身并不直接控制門禁讀卡器的動作。向上通過局域網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議與管理中心服務(wù)器進(jìn)行通訊，傳遞門禁讀卡器的刷卡請求和管理中心的服務(wù)器的各種控制命令。向下通過485總線通過輪尋的方式與門禁讀卡器進(jìn)行信息的交互。記錄從門禁讀卡器采集的數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，如

果長時(shí)間不能和管理中心服務(wù)器通訊，一定時(shí)間后丟棄掉過時(shí)的讀卡數(shù)據(jù)。門禁控制服務(wù)僅具有進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)交換和轉(zhuǎn)發(fā)功能，除了進(jìn)程啟動和停止外，沒有和用戶交互的信息，設(shè)計(jì)作為Windows系統(tǒng)的服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行，而不需要設(shè)計(jì)和用戶的交互界面，僅產(chǎn)生運(yùn)行日志文件即可。

三． 門禁讀卡器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以學(xué)生的非接觸式IC卡校園一卡通作為系統(tǒng)的用戶卡，非接觸式IC卡是根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，只需將卡片放在門禁讀卡器的感應(yīng)區(qū)之內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，且不易損壞。因此在公交、門禁、校園、企事業(yè)人事管理等方面有著廣泛的應(yīng)用。PHILIPS公司的Mifare卡是現(xiàn)在非接觸式IC卡市場的主流產(chǎn)品，其典型型號為Mifare 1 S50，它有1K的EEPROM用于存放數(shù)據(jù)，分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都有自己獨(dú)立的密碼，完善的安全機(jī)制，使Mifare1 S50具有一卡多用的特性。Mifare卡是一種智能卡（smart card），嵌有中央微處理器（MCU）和ASIC等，使其安全保密性、認(rèn)證邏輯、算術(shù)運(yùn)算等微操作控制有序進(jìn)行。

1. 工作原理

非接觸式IC卡門禁讀卡器以射頻識別技術(shù)為核心，主要使用了一片Mifare卡專用的讀寫處理芯片MFRC530。它是一個(gè)小型的、最大操作距離達(dá)10厘米的Mifare卡射頻基站，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防沖撞機(jī)制。內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接。接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、64B的數(shù)據(jù)緩沖器、存放3套寄存器初始化文件的EEPROM、存放16套密鑰的只寫存儲器以及進(jìn)行三次驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密的密碼機(jī)制、防沖撞處理的防沖撞模塊和控制單元。這是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫Mifare卡的關(guān)鍵接口。

門禁讀卡器工作時(shí)，與Mifare卡專用的讀卡芯片MFRC530相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波（13.56M），當(dāng)有非接觸式IC卡靠近時(shí)，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器的發(fā)射頻率相同。這樣在電磁波的激勵下，諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電而產(chǎn)生電荷。在電容另一端，接有一個(gè)單向?qū)щ姷?a target="_blank">電子泵將電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲。當(dāng)電容充電達(dá)到2V時(shí)，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收門禁讀卡器發(fā)來的數(shù)據(jù)并保存。本系統(tǒng)中當(dāng)有卡進(jìn)入射頻天線感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，門禁讀卡器讀得非接觸式IC卡的卡號，并將所讀卡號及刷卡的時(shí)間發(fā)送給樓層PC同時(shí)將其存入存儲器FM24C256，并在LCD顯示器上顯示服務(wù)信息。沒有卡進(jìn)入門禁讀卡器天線感應(yīng)區(qū)時(shí)，MCU讀實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中的時(shí)間，并在顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間及日期。

2. 硬件組成

每個(gè)門禁讀卡器都相當(dāng)于一個(gè)智能的節(jié)點(diǎn)，它能獨(dú)立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、判斷卡類型、實(shí)時(shí)監(jiān)控刷卡動作、控制電磁門鎖和報(bào)警器、設(shè)置門禁號等一系列的操作。門禁讀卡器的硬件部分主要包括監(jiān)測和控制部分、聲光報(bào)警電路、RS485接口電路、存儲、時(shí)鐘顯示部分、門禁號設(shè)置部分、看門狗及復(fù)位電路、射頻基站部分。電路的硬件框圖如圖2所示。

采用意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）公司STC89C53RC單片機(jī)作MCU，即常用的MCS-51系列單片機(jī)，它具有良好的溫度特性、穩(wěn)定性和性價(jià)比。內(nèi)置15K的Flash存儲器 和512字節(jié)RAM，具有3個(gè)16位計(jì)數(shù)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下載。

門禁號設(shè)置電路采用8位并入串出的移位寄存器芯片74HC165配合兩個(gè)4位撥碼開關(guān)構(gòu)成8位的設(shè)置門禁號單元。系統(tǒng)上電后74HC165將并行數(shù)據(jù)以串行移位的方式發(fā)送給MCU將其作為在485網(wǎng)絡(luò)中通訊的本機(jī)ID號。

射頻基站部分采用了飛利浦公司的MFRC530芯片，MFRC530是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號，通過由TX1，TX2腳驅(qū)動的天線以電磁波的形式發(fā)出去，非接觸式IC卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取非接觸式IC卡的響應(yīng)信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，MFRC530內(nèi)部接收緩沖器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上等待MCU讀取。MCU與MFRC530采用SPI總線方式進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)與非接觸式IC卡數(shù)據(jù)的無線傳輸。

有卡進(jìn)入感應(yīng)區(qū)刷卡時(shí)需要記錄刷卡的時(shí)間，可用外接硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的辦法為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時(shí)也能正常計(jì)時(shí)。本設(shè)計(jì)選用體積小、接口簡單的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，是美國DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專用芯片，采用3線串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：SCLK作為時(shí)鐘輸入，SDA作為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，RST作為通訊允許信號。其內(nèi)部寄存器地址中00H~06H分別對應(yīng)存放秒、分、時(shí)、日、月、星期及年信息的寄存器，07H為寫保護(hù)控制寄存器，08H為電池充電控制寄存器。時(shí)鐘數(shù)據(jù)以BCD碼格式存放在00H～06H這7個(gè)寄存器中。

系統(tǒng)存儲部分采用了RAMTRON INTERNATIONAL公司生產(chǎn)的一種鐵電存貯器（FRAM） FM24C256，是一個(gè)256kbit的FRAM， 存儲器內(nèi)部被邏輯組織為32768 8 字節(jié)存儲方式，地址空間為0000～7FFFH。其總線頻率可高達(dá)1MHz，具有10億次以上的讀寫次數(shù)且功耗很低，與外部接口采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IIC 總線。由于MCU不具有IIC 總線接口，因此采用P2.3 和P2.4口線來模擬IIC 總線， FM24C256的SDA和SCL為開漏輸出，故接10kΩ的上拉電阻。

監(jiān)測部分實(shí)時(shí)監(jiān)測門、鎖狀態(tài)和通訊的狀態(tài)，并對長時(shí)間的異常狀態(tài)作出報(bào)警；控制部分主要負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)的各種控制信息，如執(zhí)行開鎖、執(zhí)行報(bào)警等；LCD顯示部分選用以ST7920為控制器的1286帶漢字庫的液晶模塊，用以顯示時(shí)間日期及各種服務(wù)信息，作為人機(jī)交互的界面。為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，選用MAXIM公司的MAX813L作為系統(tǒng)的硬件看門狗。

3. 軟件設(shè)計(jì)

門禁讀卡器的程序包括：MFRC530對Mifare卡操作的程序、MCU與MFRC530通信中斷處理程序、485通信中斷處理程序、讀寫時(shí)鐘及LCD顯示程序、獲得門禁號程序、檢測門和鎖狀態(tài)程序及存儲器讀寫程序等。主程序流程圖如圖3所示。

對卡操作的過程是一個(gè)很復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，要對MFRC530內(nèi)部一系列的寄存器進(jìn)行配置，而且這些操作對時(shí)序要求非常嚴(yán)格。對非接觸式IC卡的典型操作為：尋卡（得到卡類型代碼）、防沖突（得到卡號）、選卡、驗(yàn)證密碼、讀寫操作、掛起并且這些操作必須按固定的順序執(zhí)行。因?yàn)殚T禁讀卡器只需要得到卡片卡號，故只執(zhí)行尋卡、防沖突、掛起就可達(dá)到要求，對卡類型判斷后將卡號通過樓層PC發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器來判斷卡是否合法。在沒有卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時(shí)，在LCD顯示當(dāng)前時(shí)間及日期，當(dāng)有卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍時(shí)，LCD上顯示卡號并顯示“請稍候……”等服務(wù)信息。

四． 結(jié)束語

本文將射頻識別理論應(yīng)用到門禁控制領(lǐng)域，采用多層網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種以單片機(jī)為核心，配合射頻基站MFRC530及單片機(jī)外圍電路的非接觸式IC卡門禁讀卡器硬件和軟件設(shè)計(jì)。該門禁系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某音樂學(xué)院的琴房管理系統(tǒng)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好。