薛 琳 ，魏蘭磊 ，朱述川 ，于傳維

（1.山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島 266590；2.山東省機器人與智能技術重點實驗室 山東 青島 266590；3.兗州礦業(yè)集團 東灘煤礦，山東 鄒城 273512）

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，門禁管理系統(tǒng)不斷向集成化、智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。但對于分散的小型企業(yè)和住宅小區(qū)來說，這些通用的門禁管理系統(tǒng)在布線和調試方面花費了過多的物力、財力。針對這種情況，本文介紹一種基于GPRS和RFID技術的門禁控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)綜合了GPRS和RFID技術,利用GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)門禁上位機對終端機的遠程控制和交互數(shù)據(jù)傳輸,同時系統(tǒng)采用射頻識別技術作為門禁身份識別方法，使門禁管理更安全方便。

1 門禁系統(tǒng)的方案設計

1.1 門禁系統(tǒng)總體結構

該門禁系統(tǒng)由上位機和終端機兩部分組成，系統(tǒng)的總體結構框架如圖1所示。

上位機由一臺裝有管理軟件的PC機和一臺管理機組成。上位機負責IC卡的發(fā)放、銷毀,數(shù)據(jù)庫的建立、管理、維護和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫下載，負責收集、記錄各終端機上傳的信息，并向各個終端機發(fā)送命令。終端機是門禁系統(tǒng)的直接動作執(zhí)行部分，包括開/關門以及用戶的各種自助性服務。上位機和終端機之間通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

該門禁系統(tǒng)有三種開門方式：密碼開門、刷卡開門、手機/電話遠程開門。密碼開門指住戶通過終端機的鍵盤輸入自設定的密碼開門；刷卡開門指住戶通過系統(tǒng)上位機發(fā)放的IC卡開門；手機遠程開門指訪客通過系統(tǒng)終端機處的鍵盤撥打綁定的住戶手機/電話，住戶驗證訪客身份后，通過手機/電話的“*”鍵控制門鎖打開。

1.2 管理機的硬件結構組成

管理機主要由：電源、GPRS模塊、外部存儲器、RS232串行通信接口、IC讀卡模塊組成。管理機的主要功能：讀取IC卡信息，協(xié)助上位機軟件建立數(shù)據(jù)庫；在PC機和終端機之間建立GRPS網(wǎng)絡橋梁，以便于PC機與終端機之間實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互。

1.3 終端機的硬件結構

對各用戶來說，門禁控制系統(tǒng)最重要的就是終端機，本終端機主要包括以下幾個部分：電源為終端機電路提供不同等級的電壓；微控制器負責終端機系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理以及對各功能模塊的控制；IC讀卡模塊負責對IC卡實時讀取并將卡片信息上傳給CPU；GPRS模塊負責終端機與上位機、用戶手機/電話之間的信息交互；音調譯碼器根據(jù)接收到用戶手機/電話的按鍵音頻脈沖信號實現(xiàn)用戶的遠程控制；鍵盤顯示模塊為人機接口，主要用于訪客輸入房間號和密碼等信息；外部存儲器主要存儲用戶的相關信息；電磁鎖驅動門的開關。終端機的系統(tǒng)結構如圖2所示。

2 終端機的硬件設計

針對各個模塊的功能及性能要求，設計了各主要模塊的電路。

2.1 微控制器選擇

本設計選用新華龍公司的C8051F340為CPU[1]。該單片機有64 KB的Flash程序存儲空間，4 532B的RAM，40個I/O口，4個通用16位計數(shù)器/定時器，雙串口。另外，單片機還具有體積?。? mm×9 mm）、價格低等優(yōu)點。

2.2 GPRS模塊

為減少管理機和終端機之間的布線，充分利用現(xiàn)有的無線通信技術，管理機和終端機之間的數(shù)據(jù)交互采用GPRS通信技術。同時為了實現(xiàn)用戶能夠用手機/電話遠程控制樓宇門的開關，利用了GPRS模塊的短信及語音等功能。

GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢，具有實時在線、按量計費等特點，能夠更加有效地利用無線網(wǎng)絡信道資源，特別適用于間歇、非周期數(shù)據(jù)傳輸、少量的數(shù)據(jù)傳輸，在遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應用。

GPRS模塊選用SIMCOM公司的SIM900B模塊，該模塊具有體積小、性能穩(wěn)定、自帶天線扣、性價比高等特點，可以實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)的低功耗傳輸。SIM900B的電路連接如圖3所示。

U3為SIM卡，SIM900B通過自有的SIM卡接口為SIM卡提供電源并向其發(fā)送指令，實現(xiàn)SMS、呼叫等功能。D4～D7是為了防止靜電損害，在SIM卡座附近放置的瞬變電壓抑制二極管。

PWKEY管腳為SIM900B的使能端，軟件使該管腳拉低至少100 ms后，SIM900B進入使能狀態(tài)，此時CPU可通過串口向SIM900B發(fā)送指令。

2.3 IC讀卡模塊

射頻識別 RFID[2](Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術，利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性實現(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別及數(shù)據(jù)交換。

RFID的實現(xiàn)包括RFID卡及讀卡器兩部分。

(1)射頻識別卡

對于本系統(tǒng)而言，考慮到安全性及功能的可擴展性，選用了工作頻率為13.56 MHz的IC卡，Mifare One S50、S70、FM1208及其兼容卡片均可。

(2)讀卡器的設計

針對本系統(tǒng)所選的IC卡,以MF RC530作為讀卡芯片。MF RC530利用了先進的調制和解調技術,完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動天線（可達100 mm）。

為節(jié)省 I/O口資源，RC530與單片機采用 SPI方式連接，RC530應用電路如圖4所示。TX引腳上的電感和電容組成低通濾波器，能夠很好地抑制13.56 MHz石英晶體振蕩器中的高次諧波。接收電路部分的VMID與RX引腳之間連接一個分壓器[3]。

2.4 電源模塊

分析系統(tǒng)的功耗及各功能模塊的電壓需求，整個系統(tǒng)需要5 V、4.2 V、3.3 V 3個電壓等級?？刹捎貌煌慕祲盒碗妷恨D換芯片逐級降低系統(tǒng)的輸入電壓。整個系統(tǒng)的輸入電壓由220 V市電經開關電源轉換為12 V供給系統(tǒng)使用。

第一級電壓轉換采用了LM2576單片集成穩(wěn)壓器實現(xiàn)12 V→5 V的電壓轉換。該5 V電源為鍵盤顯示、蜂鳴器控制電路、電磁鎖控制電路以及作為后續(xù)4.2 V、3.3 V的電源輸入。

第二級電壓轉換采用MIC29302實現(xiàn)5 V→4.2 V的轉換，主要是為SIM900B模塊供電。

第三級電壓轉換采用AMS1117實現(xiàn)5 V→3.3 V的轉換，主要供給微控制器C8051F340、語音芯片AP89170等使用。

2.5 其他部分

系統(tǒng)鍵盤顯示部分采用專用的智能控制芯片HD7279A，以MT8870作為雙音多頻解碼芯片，實現(xiàn)用戶手機/電話按鍵音的解碼，遠程開門的功能。

由于系統(tǒng)要存儲的信息量比較大，考慮體積、I/O口數(shù)量等因素，設計選用串行的AT45DB041D為外部存儲器。對本系統(tǒng)而言，該芯片可存儲3 000個用戶信息。

系統(tǒng)需要根據(jù)終端機的不同操作，發(fā)出相應的提示語音。例如：“沒有此住戶”、“密碼錯誤”等。提示語音時間短，對音質要求不高，不需要重復錄制和擦除，系統(tǒng)選用OTP型的AP89170作為語音芯片。

電磁鎖的驅動電路采用光耦PC817和功率場效應管IRF9530實現(xiàn)數(shù)字電路對電磁鎖的隔離、驅動。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括管理機、終端機及上位機軟件三部分。由于管理機的大部分功能的實現(xiàn)方法與終端機是相同(例如射頻卡讀卡子程序、SIM900B建立GPRS連接的子程序)，且子程序是通用的，從而采用模塊化的設計方法，以減少軟件設計的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

(1)終端機軟件流程

終端機軟件的總體設計思路：系統(tǒng)上電/復位開始運行，對系統(tǒng)進行初始化及自檢。自檢成功后，蜂鳴器響一聲。讀存儲器中的系統(tǒng)參數(shù)，判斷存儲器是否為空。為空，則初始化系統(tǒng)參數(shù)；非空，則計算出通話時長、住戶數(shù)目、卡數(shù)目等。之后，程序進入主循環(huán)。主循環(huán)中主要有四大部分：終端機對一些外部輸入信號的處理(如按鍵、IC卡等)，以及對接收到的管理指令（如增加住戶、刪除住戶等）的處理；終端機和管理機建立GPRS鏈接、進行GPRS通信；管理機對終端機進行串口管理。終端機軟件流程如圖5所示。

(2)上位機軟件

PC機的上位機軟件是系統(tǒng)重要的組成部分，是物業(yè)管理人員對門禁系統(tǒng)管理的最直接方式，人性化、操作簡單是上位機軟件設計最基本的要求。

基于各種軟件開發(fā)工具的優(yōu)缺點比較，及本系統(tǒng)在軟件功能上的具體要求分析，設計中采用Delphi 7.0作為上位機軟件開發(fā)工具[4]。

界面主要由管理員命令 （Admin）、操作員命令（Manager）、服務員命令（user）、串口設置、密碼管理以及退出菜單組成。為了提高門禁系統(tǒng)上位機軟件的安全性，軟件設置了3種不同操作權限的用戶類型：Admin、Manager及 User。

(1)Admin用戶擁有最高的管理權限。admin用戶可以進行用戶管理、終端機管理以及數(shù)據(jù)庫備份操作。Admin用戶可以增加用戶及修改用戶的類型，添加門禁終端機且對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行備份、恢復。

(2)Manager用戶可以進行住戶信息管理、IC卡發(fā)放管理等操作。

(3)User用戶僅擁有查詢數(shù)據(jù)以及報表打印等操作權限，不能進行IC卡發(fā)放以住戶信息修改等操作。

該門禁系統(tǒng)上位機軟件具有較好的操作界面，符合Windows操作習慣，使用方便。

本文以新華龍公司的C8051F340為主控芯片，以 SIM900B為 GPRS模塊，以 IC卡為身份識別卡，設計了一個多種管理及操作方式的門禁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集無線網(wǎng)絡管理、短信管理及串口管理于一體，提供了密碼開門、刷卡開門、手機/電話遠程開門等多種開門方式。該系統(tǒng)成本低，安裝、使用方便，安全可靠，易于推廣。

[1]新華龍電子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊[EB/OL]（2006-1）,www.xhl.com.cn.

[2]游戰(zhàn)清.無線射頻識別(RFID)與條碼技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.

[3]深圳吉盛科技有限公司.MF RC500匹配電路和天線的設計[EB/OL].(2005-2)，www.szjskj.com.

[4]王春紅.Delphi 7程序設計[M].北京：北京交通大學出版社,2004.