1 概述

　　數(shù)字安防系統(tǒng)綜合利用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)字信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)社區(qū)各種安防信息的采集、處理、傳輸、顯示和高度集成共享。數(shù)字安防系統(tǒng)包括門禁、CCTV視頻監(jiān)控及防盜報(bào)警3個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)、信息網(wǎng)、電話網(wǎng)、電視網(wǎng)等不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)行、綜合管理的目的。門禁控制系統(tǒng)主要起到出入口管理的功能，并可將防盜報(bào)警信息、CCTV 報(bào)警信息、消防信號(hào)等集成到門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，因此，門禁系統(tǒng)在數(shù)字安防系統(tǒng)中占有重要地位。門禁控制器作為整個(gè)門禁控制系統(tǒng)的核心，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸?shù)戎匾ぷ鳌鹘y(tǒng)的門禁控制器通常采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)，采用串行通信接口向遠(yuǎn)程上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，多個(gè)門禁控制器往往組成RS485 網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及,很多企業(yè)將公司和小區(qū)的管理掛接在網(wǎng)絡(luò)上,以求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化、無(wú)人化。本文提出的采用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的帶有以太網(wǎng)通信接口的全新門禁控制器架構(gòu)，其CPU采用基于ARM9內(nèi)核的ATMEL的AT91SAM9260，以Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)及交叉編譯。由于網(wǎng)絡(luò)在門禁系統(tǒng)及整個(gè)數(shù)字安防系統(tǒng)中起到越來(lái)越重要的作用，因此本文重點(diǎn)論述嵌入式智能門禁控制器以太網(wǎng)通信接口的開(kāi)發(fā)。與目前的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)相比，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)是一種低成本、高性能的控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。以太網(wǎng)應(yīng)用于企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，將極大地促進(jìn)信息從傳感器到管理層的集成[1]。

　　2 門禁控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　智能門禁控制系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、讀卡器、電鎖、門磁、識(shí)別卡和出門按鈕等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 網(wǎng)絡(luò)型門禁系統(tǒng)示意圖

　　門禁控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是：(1)從上位機(jī)經(jīng)通信接口向控制器傳輸事先設(shè)置好的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如使用人員信息、出/入門方式等，完成系統(tǒng)初始化工作;(2)通常情況下門禁控制器處于等待狀態(tài)，當(dāng)有人刷卡時(shí)讀卡器利用射頻識(shí)別技術(shù)將刷卡人信息通過(guò)Wigand接口傳輸?shù)介T禁控制器，控制器中采集數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序?qū)?dāng)前卡號(hào)、卡片狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)間、控制模式等信息與初始化信息進(jìn)行比較，得出準(zhǔn)許與否的結(jié)果，該結(jié)果又被送到讀卡器中，向讀卡人發(fā)出聲光指示。(3)當(dāng)比較結(jié)果為準(zhǔn)許時(shí)，控制器通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電磁鎖使之退出鎖門狀態(tài)。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　由圖1可知，該門禁系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)包括門禁控制器和讀卡器。

　　3.1門禁控制器電路

　　控制器中采用ARM為處理器，運(yùn)行速度快, 靈活性好。主要包括CPU(ARM)、存儲(chǔ)設(shè)備SDRAM和FLASH、電源、讀卡器接口電路、繼電器電路、以太網(wǎng)電路、UART、485、RTC電路和PSOC電路(檢測(cè)門磁輸入等信號(hào))。如圖2。

　　圖2 門禁控制器硬件電路

　　現(xiàn)在重點(diǎn)介紹一下門禁控制器與以太網(wǎng)的接口電路。本設(shè)計(jì)中采用的CPU是Atmel公司的AT91SAM9200。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(physical layer,PHY)組成。AT91SAM9200片內(nèi)已有帶MII(media independent interface)接口的MAC 控制器，故只需再外接一片物理層芯片，以提供以太網(wǎng)的接入通道。這里選擇SMSC公司生產(chǎn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器芯片LAN8700C。此芯片符合 IEEE 802.3-2005標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商指定寄存器功能;含有全雙工10-BASE-T/100BASE-TX 收發(fā)器，支持在3類和5類非屏蔽雙絞線上運(yùn)行10-Mbps(10BASE-T)，以及在5類非屏蔽雙絞線上運(yùn)行 100-Mbps(100BASE-TX)。支持媒體獨(dú)立接口(MII)和簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口 (RMII);支持自動(dòng)協(xié)商和并行檢測(cè);帶自適應(yīng)均衡器的集成式DSP;工作電流消耗低;ESD防護(hù)水平達(dá)±8kV HBM(在不使用外部保護(hù)設(shè)備的情況下)。信號(hào)的發(fā)送和接收端通過(guò)使用漢仁公司的HR901101A來(lái)實(shí)現(xiàn)。HR901101A內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，穩(wěn)定性更好。

　　3.2 讀卡器電路

　　RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的英文(Radio Frequency Identification)縮寫，是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(電磁感應(yīng)或電磁傳播)，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并得到被標(biāo)識(shí)物的ID信息以做到識(shí)別目的物的技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不受雪雨，冰雹，灰塵等的影響，且可穿透非金屬物體進(jìn)行識(shí)別，抗干擾能力強(qiáng).[2]

　　RFID的工作原理：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào)區(qū)后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)。無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽憑借線圈上的感應(yīng)電流獲得能量啟動(dòng)標(biāo)簽控制電路和射頻電路發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)。有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，讀寫器直接接受標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行解碼后，恢復(fù)為標(biāo)簽的原始信息，然后送至中央計(jì)算機(jī)等應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，最后應(yīng)用系統(tǒng)得到所需要的信息，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別的目的[3]。RFID基本工作原理和基本組成如圖3所示。

　　圖3 RFID工作原理

　　在實(shí)際應(yīng)用硬件電路中，讀寫器一般由天線、基站芯片、MCU組成。其中，基站芯片主要實(shí)現(xiàn)高頻接口模塊的功能，用于完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調(diào)任務(wù)。射頻卡的讀寫以無(wú)線電波的方式進(jìn)行，當(dāng)卡片移到電磁場(chǎng)的有效作用范圍時(shí)，卡片里的線圈將感應(yīng)到讀寫器模塊天線發(fā)送的電磁波，從而獲得電源并在電磁感應(yīng)的作用下得到觸發(fā)，進(jìn)行調(diào)制數(shù)據(jù)傳送。本文采用MTP一4K射頻收發(fā)模塊，他采用5V電源供電，125kHz的工作頻率，能識(shí)別EM4001/4102或兼容卡，通過(guò)韋根26位/RS 232 TTI (ASCII)輸出數(shù)據(jù)。MTP—K4總共有9個(gè)引腳，引腳3接高為RS 232 TTI (ASCII)輸出格式，接低為韋根26位輸出格式。采用低功耗的MSP430單片機(jī)作為主控制器，MSP430是TI(德州儀器)的一款超低功耗FLASH 型16位RISC指令集單片機(jī)，他具有強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊和方便高效的開(kāi)發(fā)方式。MTP—K4讀卡器的數(shù)據(jù)從第5，6腳輸出到MSP430，MSP430對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡片號(hào)碼獲得、數(shù)據(jù)加密等處理，在沒(méi)有讀卡期間，MSP430定時(shí)從P3.7腳發(fā)出復(fù)位信號(hào)對(duì)MTP—K4進(jìn)行復(fù)位，保證電路沒(méi)有死機(jī)現(xiàn)象。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　門禁讀卡器的程序包括:MSP430對(duì)射頻卡操作的程序、門禁控制器程序。門禁控制器程序包括嵌入式TCP/IP模塊軟件設(shè)計(jì)、ARM與讀卡器通信中斷處理程序、485通信中斷處理程序、讀寫時(shí)鐘、獲得門禁號(hào)程序、檢測(cè)門和鎖狀態(tài)程序及存儲(chǔ)器讀寫程序等。由于該系統(tǒng)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)型的門禁系統(tǒng)，所以在ARM內(nèi)嵌入TCP/IP模塊，相當(dāng)于WebServer，用戶端只需在瀏覽器內(nèi)輸入IP地址，就可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議登錄到門禁控制器，遠(yuǎn)程控制分布的門禁控制器。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)將射頻識(shí)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ARM和射頻識(shí)別技術(shù)為核心, 配合射頻基站MFRC530及單片機(jī)MSP430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)用于某外企的門禁系統(tǒng)。實(shí)踐表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好。但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)人信息在射頻卡和門禁控制器的傳遞中存在暴露的危險(xiǎn)。因此門禁系統(tǒng)中的隱私保護(hù)勢(shì)在必行。對(duì)此我們可以采取一些定制隱私策略，如采用加密算法等方法來(lái)加以控制。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用分布式集中控制方案, Internet網(wǎng)絡(luò)和485總線相結(jié)合, 提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性; 選用低功耗MSP430,占用系統(tǒng)更少的資源,功耗更小。