摘  要： 以射頻卡識別技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)為重點(diǎn)，研究開發(fā)了一種多功能網(wǎng)絡(luò)化的安防嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)可單機(jī)或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，通過對卡的操作實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、收費(fèi)、考勤及門禁等功能，并可用一卡實(shí)現(xiàn)多種功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 安防嵌入式系統(tǒng)  單片機(jī)  非接觸式IC卡  嵌入式Internet  一卡通

　　非接觸式IC智能射頻卡具有無電源、免接觸、高度的安全保密性及實(shí)現(xiàn)“一卡通”等優(yōu)點(diǎn)[1]，應(yīng)用前景廣闊。現(xiàn)有的安防系統(tǒng)多數(shù)利用RS-232和RS-485串行通信進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，需專門布線，成本高，傳輸距離近，聯(lián)網(wǎng)范圍和數(shù)量都受到限制。本文將先進(jìn)的射頻卡辨識技術(shù)[1]和嵌入式Internet技術(shù)[2][3]應(yīng)用于安防系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保留了現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展了對非接觸式IC卡的處理及利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的能力，建立了運(yùn)行、監(jiān)視、控制三位一體的安防系統(tǒng)，推動(dòng)了安防產(chǎn)品的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。
1  系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
　　本文所設(shè)計(jì)的現(xiàn)代安防辨識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為3層：上位機(jī)（PC端）、下位主機(jī)（簡稱主機(jī)）和下位子機(jī)（簡稱子機(jī)）。上位機(jī)通過以太網(wǎng)與主機(jī)通信，主機(jī)則通過RS-485網(wǎng)絡(luò)與子機(jī)連接。

　　上位機(jī)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，主要作用是對下位機(jī)(與子機(jī)的通信通過主機(jī))進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。
　　主機(jī)和子機(jī)在結(jié)構(gòu)上完全相同,運(yùn)行時(shí)主機(jī)直接與上位機(jī)通信，子機(jī)則通過主機(jī)間接受控于上位機(jī)。主機(jī)和子機(jī)(統(tǒng)稱為下位機(jī))是安防系統(tǒng)的操作前端，實(shí)現(xiàn)對各類卡數(shù)據(jù)的處理，然后將處理結(jié)果暫存在內(nèi)部RAM中，主機(jī)讀取子機(jī)的數(shù)據(jù)。主機(jī)中暫存本身及所連接的所有子機(jī)的數(shù)據(jù)，當(dāng)上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)上傳命令時(shí)，主機(jī)就將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。
　　下位機(jī)是作為主機(jī)還是子機(jī)運(yùn)行，以及運(yùn)行中的其他參數(shù)，如工作模式、機(jī)號、時(shí)間和波特率等，可以通過上位機(jī)設(shè)定，也可以通過下位機(jī)自身單獨(dú)設(shè)定。
　　非接觸可讀寫IC卡的卡片本身可以存儲數(shù)據(jù)，下位機(jī)可單獨(dú)對所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，一般不必和上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，這與操作條碼、磁卡、EM卡等卡片不同；同時(shí)下位機(jī)把每次操作的結(jié)果記錄下來，定時(shí)上傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份或做其他處理。
2  下位機(jī)與上位機(jī)的硬軟件設(shè)計(jì)
2.1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)
　　下位機(jī)(包括主機(jī)和子機(jī))是安防系統(tǒng)的前端處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)的主要功能，因此設(shè)計(jì)效果直接影響整個(gè)安防系統(tǒng)的性能。
2.1.1 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
　　下位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由主CPU模塊、卡處理模塊、上網(wǎng)模塊、以及外存儲器、鍵盤、顯示、通信等部分組成。

　　主CPU模塊是整個(gè)下位機(jī)的核心，實(shí)現(xiàn)對各種辨識數(shù)據(jù)的處理及復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。本系統(tǒng)中選用了SST公司的89E564RD單片機(jī)，完全與51系列單片機(jī)兼容，具有“在應(yīng)用中編程”（In-Application Programming）功能，有利于程序的運(yùn)行調(diào)試和系統(tǒng)的升級。由于數(shù)據(jù)總線上的外部器件較多，并且考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級，在硬件設(shè)計(jì)中使用了74HC245總線驅(qū)動(dòng)器和138地址譯碼器，并擴(kuò)展了1片并行接口芯片8255。
　　系統(tǒng)的外存儲器是1片128KB的SRAM628128和1片2KB的24C16。24C16與89E564RD按I2C總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，占用2根信號線，主要用于存放管理卡號、系統(tǒng)密碼、工作模式、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址以及其他可配置的信息。在系統(tǒng)中上位機(jī)從下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)一般采用定時(shí)讀取方式。由于下位機(jī)在沒有上傳數(shù)據(jù)以前需要暫存大量數(shù)據(jù)，同時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的收發(fā)以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的TCP/IP處理也需要占用大量的內(nèi)存空間，因此在系統(tǒng)中用了1片SRAM628128以擴(kuò)展存儲容量。為了防止SRAM628128突然掉電丟失數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)中為其外接了1塊3.6V的后備電池，以提高存儲的可靠性。
　　卡處理模塊的功能相對獨(dú)立，單獨(dú)使用了一個(gè)微處理器來進(jìn)行卡操作。上網(wǎng)模塊可實(shí)現(xiàn)10BASE-T以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?？ㄌ幚砟K和上網(wǎng)模塊是本系統(tǒng)中的重點(diǎn)。
2.1.2 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
　　下位機(jī)程序基本流程如圖3所示。程序開始對系統(tǒng)硬、軟件進(jìn)行初始化,初始化包括讀取工作模式、設(shè)定串行通信的波特率、初始化鍵盤、顯示及復(fù)位上網(wǎng)模塊等。完成初始化后，程序進(jìn)入循環(huán)處理?？ㄌ幚沓绦蚋鶕?jù)系統(tǒng)的功能設(shè)定來使卡操作模塊完成相應(yīng)的功能。

　　根據(jù)初始化時(shí)的設(shè)定，下位機(jī)可作為主機(jī)或子機(jī)使用，只有主機(jī)才可以與上位機(jī)通過以太網(wǎng)或?qū)Ｓ玫腞S-232網(wǎng)絡(luò)通信，并在沒有上位機(jī)命令時(shí)掃描子機(jī)，子機(jī)只能通過RS-485端口與主機(jī)通信。
整個(gè)程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，便于移植和擴(kuò)充。
2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
　　監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對下位機(jī)或卡處理模塊的監(jiān)視和控制。本系統(tǒng)的PC機(jī)監(jiān)控軟件主要有2個(gè)獨(dú)立的部分：上位機(jī)通過專用網(wǎng)絡(luò)（RS-232或RS-485）與下位機(jī)進(jìn)行通信的監(jiān)控軟件；當(dāng)卡處理模塊獨(dú)立使用時(shí)，PC機(jī)對卡處理模塊的監(jiān)控軟件。
　　系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通信的監(jiān)控軟件主要是下發(fā)命令參數(shù)、上傳命令的執(zhí)行結(jié)果及上傳下位機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)等。
3  卡處理模塊和上網(wǎng)模塊的設(shè)計(jì)
3.1 卡處理模塊的設(shè)計(jì)
　　卡處理模塊根據(jù)接收的命令完成對各類卡片的操作，其中最主要的是卡號的讀取。對于可讀寫卡，還包括卡上數(shù)據(jù)的讀寫、值的加減、密碼的驗(yàn)證與修改等，并將處理結(jié)果送給主CPU或上位PC機(jī)。
3.1.1 卡片的選擇
　　非接觸式IC卡的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、安全性好、操作使用方便、能應(yīng)用于不同的系統(tǒng)，并可一卡多用（一卡通），用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問條件，而卡的各種應(yīng)用之間相互獨(dú)立，互不影響。選擇Philips公司生產(chǎn)的Mifare系列卡作為系統(tǒng)的主要辨識卡。對于其他仍在廣泛使用的卡片，系統(tǒng)中有相應(yīng)的接口進(jìn)行接收和處理。
3.1.2 卡處理模塊的硬件電路設(shè)計(jì)
　　卡處理模塊硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其核心部分由一個(gè)控制用微處理器和一個(gè)Mifare基站芯片組成。其他輔助電路包括天線模塊、RS-232通信電路、復(fù)位電路、LED狀態(tài)顯示和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路等。
控制用微處理器選用ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)，該單片機(jī)具有省電的空閑（IDLE）模式和掉電（POWER-DOWN）模式，適合嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。Mifare基站電路的核心是Philips公司的讀寫卡專用芯片MF RC500。RC500符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，外接天線后讀卡距離可達(dá)到10cm。天線模塊完成RC500與卡片的數(shù)據(jù)交換，它是一個(gè)LC諧振電路，工作于13.56MHz，天線的性能直接影響讀卡的距離和靈敏度。為增加讀寫器模塊的通用性，使其可獨(dú)立工作，模塊設(shè)計(jì)時(shí)還增加了串行通信和ABA信號輸入口。

3.1.3 卡處理模塊的軟件設(shè)計(jì)
　　卡處理模塊的工作過程：(1)接收上位主CPU或PC機(jī)的命令。(2)根據(jù)命令對RC500進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)對卡的處理并返回處理結(jié)果。(3)將處理結(jié)果回送到上位主CPU或PC機(jī)。其流程圖如圖5所示。

　　在程序的初始化部分，主要對RC500進(jìn)行基本的工作配置，設(shè)定串口通信的波特率以及復(fù)位聲光信號等。
　　為節(jié)省電能消耗，程序中設(shè)置了省電模式。省電模式包括RC500的掉電模式和單片機(jī)本身的空閑模式。任何被激活的中斷(包括內(nèi)部中斷和外部中斷)都可使微處理器退出空閑模式。實(shí)驗(yàn)證明，在空閑模式下，整個(gè)讀寫器比正常工作模式節(jié)省電流可達(dá)90%，這對于手持式讀寫器等利用電池供電的場合具有重要意義。
　　對所接收命令的執(zhí)行是程序的重點(diǎn)部分，微處理器對卡的所有操作都是通過RC500來完成的，而RC500對卡片的操作是通過天線發(fā)送一些指令代碼來完成。微處理器獲取正確的卡片數(shù)據(jù)后，按一定格式上傳給上位機(jī)或主CPU，并驅(qū)動(dòng)聲光信號提示操作正確。若沒有獲得正確的數(shù)據(jù)或在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)RC500沒有返回?cái)?shù)據(jù)，則驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的聲光信號指示操作錯(cuò)誤，同時(shí)回送相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。
3.2 上網(wǎng)模塊的設(shè)計(jì)
3.2.1 上網(wǎng)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)
　　上網(wǎng)模塊的硬件電路框圖如圖6所示。電路中的主要部件是RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，由主CPU對其進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)，能滿足安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊?。RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，因此采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信。

3.2.2 上網(wǎng)模塊的軟件設(shè)計(jì)
　　上網(wǎng)模塊的軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接收和發(fā)送具有以太網(wǎng)協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包。最通常的以太網(wǎng)系統(tǒng)是采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的10BASE-T，它的傳輸速率可達(dá)10Mbps，使用雙絞線連接，采用CSMA/CD協(xié)議控制連接的設(shè)備爭用線路。程序?qū)TL8019AS的操作主要包括芯片初始化、發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)三部分。
　　RTL8109AS的初始化程序主要包括對芯片的復(fù)位和參數(shù)初始化。芯片的復(fù)位是通過網(wǎng)卡的RSTDRV引腳進(jìn)行復(fù)位。芯片正確復(fù)位后，對其相關(guān)內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，使網(wǎng)卡正常工作。內(nèi)部寄存器中最重要的是命令寄存器CR。CR主要用于選擇寄存器頁、啟動(dòng)或停止遠(yuǎn)程DMA操作以及執(zhí)行命令；然后對芯片的物理地址進(jìn)行設(shè)置。此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)模塊就能正確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包了。
　　數(shù)據(jù)的發(fā)送過程包括3個(gè)步驟：數(shù)據(jù)包的封裝、通過遠(yuǎn)程DMA將數(shù)據(jù)包送到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)以及通過RTL8019AS的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進(jìn)行發(fā)送。
　　數(shù)據(jù)接收可以采用中斷或寄存器標(biāo)志的方式。本系統(tǒng)中使用查詢寄存器的方式。單片機(jī)掃描發(fā)送緩沖區(qū)的讀指針BNRY和寫指針CURR，當(dāng)BNRY不等于CURR-1時(shí)，表明RTL8019AS收到一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。此時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。
4  系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用
　　按照上述設(shè)計(jì)制作的現(xiàn)代安防辨識系統(tǒng)，其系統(tǒng)調(diào)試過程與調(diào)試結(jié)果為：(1)給下位機(jī)確定一個(gè)IP地址，該IP地址應(yīng)與實(shí)驗(yàn)的局域網(wǎng)的IP在同一范圍內(nèi)且與其他計(jì)算機(jī)的IP地址不沖突。本系統(tǒng)用于測試的局域網(wǎng)的IP地址為 192.168.x.x，網(wǎng)關(guān)為192.168.0.1，下位機(jī)的IP地址設(shè)置為192.168.0.6。(2)將下位機(jī)接入局域網(wǎng)，并在下位機(jī)的內(nèi)存中存入16個(gè)卡號。(3)打開局域網(wǎng)內(nèi)的任意一臺計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)IE并在地址欄內(nèi)輸入http：//192.168.0.6/即可看到系統(tǒng)主頁。(4)輸入一個(gè)錯(cuò)誤的密碼，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，下位機(jī)返回密碼錯(cuò)誤提示頁面。(5)點(diǎn)擊“重新輸入密碼”，系統(tǒng)再次回到主頁面(這次輸入正確的密碼并發(fā)送)。系統(tǒng)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)按表格的形式在上位機(jī)中顯示出來。頁面中的數(shù)據(jù)后10位為卡號，每條數(shù)據(jù)以字母“K”開頭，后面是機(jī)號和刷卡時(shí)間。
　　本系統(tǒng)進(jìn)行了全面的調(diào)試和驗(yàn)證，并已投入實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行可靠、功能完備、效果良好。
5  結(jié)束語
　　本文介紹的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代安防辨識系統(tǒng)，涉及射頻識別、數(shù)據(jù)采集與處理、嵌入式Internet及串行通信等方面的技術(shù)，其中以射頻識別和嵌入式Internet為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了安防系統(tǒng)中對非接觸式IC卡的操作處理和單片機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)芯片通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，推動(dòng)了安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的進(jìn)程。
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