基于RS485與TCP/IP協(xié)同通信的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，公司和家庭的安全防護(hù)逐漸被人們所重視，數(shù)字化安防慢慢地深入到了人們的生活中。數(shù)字化安防集成了現(xiàn)代模擬傳感器感知技術(shù)、數(shù)字電平轉(zhuǎn)換技術(shù)、信息處理傳輸技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)接技術(shù)等多方面前沿科技，實(shí)現(xiàn)了安防功能精細(xì)化，為使用者提供了更為安全便捷的防范體系。

信息識(shí)別是門禁控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)，主要表現(xiàn)為信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和對(duì)比分析。人工數(shù)據(jù)采集分析是傳統(tǒng)的操作方式，由于現(xiàn)代對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和準(zhǔn)確度的高要求，人工數(shù)據(jù)采集已經(jīng)滿足不了實(shí)際需求。微電子技術(shù)中自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展填補(bǔ)了這一空缺，它與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地完成大量數(shù)據(jù)的采集傳輸。另外，隨著Internet技術(shù)的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)化也成為門禁控制系統(tǒng)中的一大發(fā)展特點(diǎn)。

1需求分析

從設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域和功能特點(diǎn)出發(fā)，門禁控制系統(tǒng)的核心自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可以分為條形碼、生物識(shí)別、磁卡類識(shí)別和無線射頻識(shí)別。與其他三種識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出。首先，RFID是一種電磁技術(shù)，無接觸點(diǎn)，閱讀器可在短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別。第二，射頻卡設(shè)計(jì)尺寸可小到幾厘米，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)所的空間、長(zhǎng)度無限制。第三，對(duì)光源無要求、無干擾，可在強(qiáng)光或無光環(huán)境下正常使用。第四，無線電有穿透性，應(yīng)用范圍更廣，且可回收循環(huán)使用。目前，射頻識(shí)別技術(shù)在世界范圍內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于物流、制造業(yè)、身份識(shí)別、防偽、資產(chǎn)管理、交通、食品、動(dòng)物識(shí)別、圖書館、汽車、航空及軍事領(lǐng)域，被譽(yù)為是“對(duì)人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新技術(shù)之一”

本文的門禁控制系統(tǒng)是在充分利用射頻識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的。由于門禁系統(tǒng)的使用環(huán)境不同，要求也差異頗大，不能完成統(tǒng)一全方位應(yīng)用設(shè)計(jì)?，F(xiàn)以公司員工上班門禁控制系統(tǒng)為例做分析設(shè)計(jì)。

2硬件設(shè)計(jì)

智能門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由非接觸式射頻識(shí)別卡、讀卡器（閱讀器）、發(fā)卡器、交換機(jī)、信息傳輸控制器、門禁終端控制器、強(qiáng)力電控鎖或電磁鎖、電源和門禁系統(tǒng)附屬工作設(shè)備等幾部分組成。

2.1非接觸式射頻識(shí)別卡

門禁系統(tǒng)的射頻識(shí)別卡設(shè)計(jì)頻率段為13.56MHz,選用MifareICS50系列電子標(biāo)簽。其遵循ISO144443,內(nèi)部結(jié)構(gòu)由只讀存儲(chǔ)器件、天線、信息控制模塊和射頻接口組成。

2.2閱讀器選擇及流程設(shè)計(jì)

閱讀器是門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心器件，由微型控制器、射頻電路、電源模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗、接口及天線電路組成。微控制器是閱讀器器件的處理核心部分，它控制著其他各個(gè)組件的運(yùn)行。射頻電流的性能直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。在所有以上部件設(shè)計(jì)之外，本系統(tǒng)閱讀器還添加了用于指示的LED燈和蜂鳴器模塊。圖1所示是系統(tǒng)讀卡器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1讀卡器結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)射頻電路芯片采用NXP公司提供的MFRC500。它可以實(shí)現(xiàn)64字節(jié)FIFO緩沖的微控制器接口，完成信號(hào)調(diào)制/解調(diào)和天線驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全校對(duì)、存儲(chǔ)權(quán)限管理等。

圖2所示是MFRC500在閱讀器設(shè)計(jì)中的電路圖，OSCIN與OSCOUT引腳連接外置的13.56MHz晶振，提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率。D0~D7引腳與微控制器的P口相連接，通信開由中斷方式進(jìn)行。

2.3控制器接口

信號(hào)接口遵循韋根協(xié)議，其由3根線DATA0、DATA1和DataReturn組成。DATA0~1空閑時(shí)加+5V高電平。輸出低電平由DATA0拉低來實(shí)現(xiàn)，輸出高電平則DATA1拉低，中斷實(shí)現(xiàn)閱讀器與MCU間的通信。閱讀器的天線是查詢信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)，因此功率設(shè)計(jì)要偏大，保證天線線圈有較大的電流通過。2.4信息傳輸控制器

系統(tǒng)信息傳輸控制器采用RS485與TCP/IP混合通信方式，實(shí)現(xiàn)終端控制器與上位機(jī)管理軟件的溝通，完成信息的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。終端控制器的功能是與讀卡器通信，與網(wǎng)絡(luò)控制器通信，數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)，提供時(shí)鐘信號(hào)，終端鎖具的開關(guān)控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用PK-C398控制器，其內(nèi)部核心是用32位嵌入式ARM微處理器，使用RISC的ARM架構(gòu)，操作指令上為Thumb與ARM指令混編。接入E2PROM存放嵌入式操作系統(tǒng)和程序初始運(yùn)行代碼，編程使用JTAG接口進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是建立在智能門禁系統(tǒng)的硬件平臺(tái)之上的，利用RFID唯一識(shí)別的特點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)進(jìn)出門禁的射頻卡記錄存儲(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)用功能進(jìn)行了展開，可實(shí)現(xiàn)用戶詳細(xì)信息與射頻卡本身的關(guān)聯(lián)與實(shí)時(shí)修改、權(quán)限設(shè)置、考勤管理、安防監(jiān)督等。

3.1功能分配與模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的功能，可以把軟件系統(tǒng)統(tǒng)籌為三個(gè)模塊：功能設(shè)置、門禁卡管理和數(shù)據(jù)管理。

通過功能設(shè)置可為門禁系統(tǒng)軟件終端做參數(shù)配置，使它能與數(shù)據(jù)庫、終端器件正確連接，并配置射頻卡用戶不同的操作權(quán)限。

門禁卡管理主要是處理射頻卡的相關(guān)數(shù)據(jù)操作，如卡號(hào)與個(gè)人信息的關(guān)聯(lián)。設(shè)置使用卡記錄表，對(duì)每個(gè)用戶的使用情況作詳細(xì)日志管理。用戶卡本身信息設(shè)置可提供快速的信息瀏覽查詢，并實(shí)現(xiàn)射頻卡的掛失、補(bǔ)辦、密碼設(shè)置、密碼修改等操作。

數(shù)據(jù)管理主要是通過刷卡操作，系統(tǒng)可自動(dòng)記錄刷卡的日期、時(shí)間、卡號(hào)、是否開門等數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。不同的用戶卡分析結(jié)果不同，如員工卡分析結(jié)果為正常上班、遲到、早退等。軟件設(shè)計(jì)還可以設(shè)置數(shù)據(jù)篩選規(guī)則，如遲到時(shí)間點(diǎn)、最早下班時(shí)間等。

3.2通信接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)由終端采集得到后，需要發(fā)送到控制器。系統(tǒng)對(duì)大部門與部門之間采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，運(yùn)用套接字Socket實(shí)現(xiàn)。終端程序?qū)?shù)據(jù)交付Socket，套接字轉(zhuǎn)交對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)選定的IP地址和端口號(hào)。該選定IP地址的控制器，從本機(jī)對(duì)應(yīng)的端口獲取數(shù)據(jù)包，解包轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)庫。套接字的使用類型有三種：流式套接字、數(shù)據(jù)報(bào)式套接字和原始套接字。此處選用原始套接字：它是基于TCP的Socket編程，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)三次握手實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。服務(wù)器與客戶端的通信流程如圖3所示。

圖3TCP模式的Socket通信

3.3程序算法設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分為硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，硬件驅(qū)動(dòng)中閱讀器的數(shù)據(jù)獲取是核心。計(jì)算機(jī)中安裝的上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，上位機(jī)的界面及功能也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。

閱讀器收到卡號(hào)數(shù)據(jù)后傳送到控制器，控制器對(duì)比得到的卡號(hào)與數(shù)據(jù)庫中的存根，判斷如果合法則發(fā)送開門的指令。在閱讀器讀取卡號(hào)的過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加一層安全驗(yàn)證。借助IC卡存儲(chǔ)器訪問驗(yàn)證的特性，把具有唯一性的用戶編碼號(hào)存入IC卡的存儲(chǔ)器中。閱讀器訪問時(shí)，系統(tǒng)要進(jìn)行三個(gè)過程的驗(yàn)證：首先，訪問IC卡存儲(chǔ)器扇區(qū)內(nèi)的原始密碼驗(yàn)證,確定該卡是本部門發(fā)行的，過濾了其他同頻率卡的干擾。第二,驗(yàn)證本卡卡號(hào)的合法性，即IC號(hào)與存根數(shù)據(jù)對(duì)比。第三，IC卡內(nèi)存儲(chǔ)的用戶編號(hào)與存根數(shù)據(jù)驗(yàn)證。只有三個(gè)驗(yàn)證機(jī)制都通過，數(shù)據(jù)才能被存儲(chǔ)記錄下。閱讀器程序設(shè)計(jì)主要是微控制器對(duì)RC500的控制操作，具體設(shè)計(jì)如下：

首先，閱讀器要進(jìn)行初始化操作,檢測(cè)RC500的運(yùn)行狀態(tài),如果空閑，貝懵IC卡存儲(chǔ)扇區(qū)的密匙讀入RC500內(nèi)的存儲(chǔ)器,進(jìn)行密碼認(rèn)證。IC卡片密碼數(shù)據(jù)48b,高32位與低位分別操作,48b的數(shù)據(jù)先被拆分為96b,然后在高位部分更新將要寫入的E2PROM的地址（大端存儲(chǔ)格式）,復(fù)寫入E2PROMo

3.4上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用程序。程序啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行實(shí)例判斷，如果計(jì)算機(jī)中存在正在運(yùn)行的同類實(shí)例，則終止程序啟動(dòng)操作。實(shí)例判斷通過，連接數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶名和密碼的驗(yàn)證，然后進(jìn)入主界面。由于管理軟件的權(quán)限分類，根據(jù)用戶名的判斷分為超級(jí)管理員和普通管理員，兩者對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限操作模塊。

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)是基于射頻識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)，從框架搭建、硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)做了詳細(xì)闡述。針對(duì)系統(tǒng)的傳輸速度與成本，提出使用RS485與TCP/IP通信協(xié)調(diào)工作的網(wǎng)絡(luò)連接。對(duì)控制器工作原理和進(jìn)程做了分析，完成了硬件設(shè)計(jì)標(biāo)簽、閱讀器等器件選型和電路設(shè)計(jì)，以及軟件功能劃分、閱讀器數(shù)據(jù)控制流設(shè)置和上位機(jī)設(shè)計(jì)。

TCP/IP協(xié)議通訊有數(shù)據(jù)傳輸快、無間距限制、接入控制器數(shù)量多等優(yōu)點(diǎn)，但受硬件成本的制約，其普及率還不高。隨著技術(shù)的深入，網(wǎng)絡(luò)普及提升成本減少，完全TCP/IP模式的通訊必然會(huì)成為主流模式。接踵而來的是通訊的安全問題，可以預(yù)測(cè)無論是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸還是硬件存儲(chǔ)，都將會(huì)迎來技術(shù)性的挑戰(zhàn)，讓系統(tǒng)更安全，讓數(shù)據(jù)更保密是下一步設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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