《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于GPRS和RFID技術(shù)的門(mén)禁控制系統(tǒng)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第6期
薛 琳1,2,魏蘭磊1,2,朱述川3,于傳維1,2
1.山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,山東 青島 266590; 2.山東省機(jī)器人與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590; 3. 兗州礦業(yè)集團(tuán) 東灘煤礦,山東 鄒城 273512
摘要: 介紹了一種基于GPRS和RFID技術(shù)的門(mén)禁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù),集成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理、短信管理、串口管理、密碼開(kāi)門(mén)、刷卡開(kāi)門(mén)、手機(jī)/電話遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)等多種功能。
中圖分類號(hào): TP29
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2012)06-0145-04
Design of door access control system based on GPRS and RFID
Xue Lin1,2, Wei Lanlei1,2, Zhu Shuchuan3, Yu Chuanwei1,2
1. College of Information and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Shandong Robotics & Intelligent Technology Key Laboratory, Qingdao 266590, China; 3. Dongtan Mine, Yanzhou Mining Group, Zoucheng 273512, China
Abstract: This paper introduces a door access control system based on GPRS and RFID. Adopting the technology of GPRS and RFID, the system concentrates multiple functions such as wireless network management, message management, serial port management, password door opening, IC door opening and mobile phone/telephone remote door opening.
Key words : door access control system; GPRS; RFID

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,門(mén)禁管理系統(tǒng)不斷向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。但對(duì)于分散的小型企業(yè)和住宅小區(qū)來(lái)說(shuō),這些通用的門(mén)禁管理系統(tǒng)在布線和調(diào)試方面花費(fèi)了過(guò)多的物力、財(cái)力。針對(duì)這種情況,本文介紹一種基于GPRS和RFID技術(shù)的門(mén)禁控制系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)綜合了GPRS和RFID技術(shù),利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)門(mén)禁上位機(jī)對(duì)終端機(jī)的遠(yuǎn)程控制和交互數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)作為門(mén)禁身份識(shí)別方法,使門(mén)禁管理更安全方便。
1 門(mén)禁系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
1.1 門(mén)禁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    該門(mén)禁系統(tǒng)由上位機(jī)和終端機(jī)兩部分組成,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

    上位機(jī)由一臺(tái)裝有管理軟件的PC機(jī)和一臺(tái)管理機(jī)組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)IC卡的發(fā)放、銷毀,數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、管理、維護(hù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)下載,負(fù)責(zé)收集、記錄各終端機(jī)上傳的信息,并向各個(gè)終端機(jī)發(fā)送命令。終端機(jī)是門(mén)禁系統(tǒng)的直接動(dòng)作執(zhí)行部分,包括開(kāi)/關(guān)門(mén)以及用戶的各種自助性服務(wù)。上位機(jī)和終端機(jī)之間通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
   該門(mén)禁系統(tǒng)有三種開(kāi)門(mén)方式:密碼開(kāi)門(mén)、刷卡開(kāi)門(mén)、手機(jī)/電話遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)。密碼開(kāi)門(mén)指住戶通過(guò)終端機(jī)的鍵盤(pán)輸入自設(shè)定的密碼開(kāi)門(mén);刷卡開(kāi)門(mén)指住戶通過(guò)系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)放的IC卡開(kāi)門(mén);手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)指訪客通過(guò)系統(tǒng)終端機(jī)處的鍵盤(pán)撥打綁定的住戶手機(jī)/電話,住戶驗(yàn)證訪客身份后,通過(guò)手機(jī)/電話的“*”鍵控制門(mén)鎖打開(kāi)。
1.2 管理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)組成
    管理機(jī)主要由:電源、GPRS模塊、外部存儲(chǔ)器、RS232串行通信接口、IC讀卡模塊組成。管理機(jī)的主要功能:讀取IC卡信息,協(xié)助上位機(jī)軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù);在PC機(jī)和終端機(jī)之間建立GRPS網(wǎng)絡(luò)橋梁,以便于PC機(jī)與終端機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)交互。
1.3 終端機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
    對(duì)各用戶來(lái)說(shuō),門(mén)禁控制系統(tǒng)最重要的就是終端機(jī),本終端機(jī)主要包括以下幾個(gè)部分:電源為終端機(jī)電路提供不同等級(jí)的電壓;微控制器負(fù)責(zé)終端機(jī)系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理以及對(duì)各功能模塊的控制;IC讀卡模塊負(fù)責(zé)對(duì)IC卡實(shí)時(shí)讀取并將卡片信息上傳給CPU;GPRS模塊負(fù)責(zé)終端機(jī)與上位機(jī)、用戶手機(jī)/電話之間的信息交互;音調(diào)譯碼器根據(jù)接收到用戶手機(jī)/電話的按鍵音頻脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制;鍵盤(pán)顯示模塊為人機(jī)接口,主要用于訪客輸入房間號(hào)和密碼等信息;外部存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)用戶的相關(guān)信息;電磁鎖驅(qū)動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)。終端機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 終端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
    針對(duì)各個(gè)模塊的功能及性能要求,設(shè)計(jì)了各主要模塊的電路。
2.1 微控制器選擇
  本設(shè)計(jì)選用新華龍公司的C8051F340為CPU[1]。該單片機(jī)有64 KB 的Flash程序存儲(chǔ)空間,4 532 B的RAM,40個(gè)I/O口,4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器,雙串口。另外,單片機(jī)還具有體積?。? mm×9 mm)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。
2.2 GPRS模塊
    為減少管理機(jī)和終端機(jī)之間的布線,充分利用現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù),管理機(jī)和終端機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互采用GPRS通信技術(shù)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)用戶能夠用手機(jī)/電話遠(yuǎn)程控制樓宇門(mén)的開(kāi)關(guān),利用了GPRS模塊的短信及語(yǔ)音等功能。
 GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì),具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn),能夠更加有效地利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)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(jià)比高等特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(guò)自有的SIM卡接口為SIM卡提供電源并向其發(fā)送指令,實(shí)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(jìn)入使能狀態(tài),此時(shí)CPU可通過(guò)串口向SIM900B發(fā)送指令。
2.3 IC讀卡模塊
    射頻識(shí)別RFID[2](Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)交換。
    RFID的實(shí)現(xiàn)包括RFID卡及讀卡器兩部分。
    (1)射頻識(shí)別卡
    對(duì)于本系統(tǒng)而言,考慮到安全性及功能的可擴(kuò)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(shè)計(jì)
    針對(duì)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(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù),完全集成了在13.56 MHz 下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)天線(可達(dá)100 mm)。
    為節(jié)省I/O口資源,RC530與單片機(jī)采用SPI方式連接,RC530應(yīng)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(gè)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(gè)系統(tǒng)需要5 V、4.2 V、3.3 V 3個(gè)電壓等級(jí)??刹捎貌煌慕祲盒碗妷恨D(zhuǎn)換芯片逐級(jí)降低系統(tǒng)的輸入電壓。整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓由220 V市電經(jīng)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12 V供給系統(tǒng)使用。
 第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用了LM2576單片集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)12 V→5 V的電壓轉(zhuǎn)換。該5 V電源為鍵盤(pán)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(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用MIC29302實(shí)現(xiàn)5 V→4.2 V的轉(zhuǎn)換,主要是為SIM900B模塊供電。
 第三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換采用AMS1117實(shí)現(xiàn)5 V→3.3 V的轉(zhuǎn)換,主要供給微控制器C8051F340、語(yǔ)音芯片AP89170等使用。
2.5 其他部分
    系統(tǒng)鍵盤(pán)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(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)/電話按鍵音的解碼,遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)的功能。
 由于系統(tǒng)要存儲(chǔ)的信息量比較大,考慮體積、I/O口數(shù)量等因素,設(shè)計(jì)選用串行的AT45DB041D為外部存儲(chǔ)器。對(duì)本系統(tǒng)而言,該芯片可存儲(chǔ)3 000個(gè)用戶信息。
 系統(tǒng)需要根據(jù)終端機(jī)的不同操作,發(fā)出相應(yīng)的提示語(yǔ)音。例如:“沒(méi)有此住戶”、“密碼錯(cuò)誤”等。提示語(yǔ)音時(shí)間短,對(duì)音質(zhì)要求不高,不需要重復(fù)錄制和擦除,系統(tǒng)選用OTP型的AP89170作為語(yǔ)音芯片。
 電磁鎖的驅(qū)動(dòng)電路采用光耦PC817和功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF9530實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路對(duì)電磁鎖的隔離、驅(qū)動(dòng)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要包括管理機(jī)、終端機(jī)及上位機(jī)軟件三部分。由于管理機(jī)的大部分功能的實(shí)現(xiàn)方法與終端機(jī)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(shè)計(jì)方法,以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量,縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。
    (1)終端機(jī)軟件流程
 終端機(jī)軟件的總體設(shè)計(jì)思路:系統(tǒng)上電/復(fù)位開(kāi)始運(yùn)行,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及自檢。自檢成功后,蜂鳴器響一聲。讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)參數(shù),判斷存儲(chǔ)器是否為空。為空,則初始化系統(tǒng)參數(shù);非空,則計(jì)算出通話時(shí)長(zhǎng)、住戶數(shù)目、卡數(shù)目等。之后,程序進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中主要有四大部分:終端機(jī)對(duì)一些外部輸入信號(hào)的處理(如按鍵、IC卡等),以及對(duì)接收到的管理指令(如增加住戶、刪除住戶等)的處理;終端機(jī)和管理機(jī)建立GPRS鏈接、進(jìn)行GPRS通信;管理機(jī)對(duì)終端機(jī)進(jìn)行串口管理。終端機(jī)軟件流程如圖5所示。

    (2)上位機(jī)軟件
  PC機(jī)的上位機(jī)軟件是系統(tǒng)重要的組成部分,是物業(yè)管理人員對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)管理的最直接方式,人性化、操作簡(jiǎn)單是上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)最基本的要求。
 基于各種軟件開(kāi)發(fā)工具的優(yōu)缺點(diǎn)比較,及本系統(tǒng)在軟件功能上的具體要求分析,設(shè)計(jì)中采用Delphi 7.0作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具[4]。
 界面主要由管理員命令(Admin)、操作員命令(Manager)、服務(wù)員命令(user)、串口設(shè)置、密碼管理以及退出菜單組成。為了提高門(mén)禁系統(tǒng)上位機(jī)軟件的安全性,軟件設(shè)置了3種不同操作權(quán)限的用戶類型:Admin、Manager及User。
    (1)Admin用戶擁有最高的管理權(quán)限。admin用戶可以進(jìn)行用戶管理、終端機(jī)管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)備份操作。Admin用戶可以增加用戶及修改用戶的類型,添加門(mén)禁終端機(jī)且對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、恢復(fù)。
 (2)Manager用戶可以進(jìn)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(bào)表打印等操作權(quán)限,不能進(jìn)行IC卡發(fā)放以住戶信息修改等操作。
 該門(mén)禁系統(tǒng)上位機(jī)軟件具有較好的操作界面,符合Windows操作習(xí)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(shí)別卡,設(shè)計(jì)了一個(gè)多種管理及操作方式的門(mén)禁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理、短信管理及串口管理于一體,提供了密碼開(kāi)門(mén)、刷卡開(kāi)門(mén)、手機(jī)/電話遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)等多種開(kāi)門(mén)方式。該系統(tǒng)成本低,安裝、使用方便,安全可靠,易于推廣。
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