《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于紅外感知與無線應(yīng)答的非接觸式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第19期
曾騰纏1,王公仆2, 盛琦賢1,李仕毅1
1.北京交通大學(xué) 理學(xué)院, 北京 100044; 2.北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院, 北京 100044
摘要: 提出了一種基于紅外感知與無線應(yīng)答的非接觸式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用紅外感知與無線設(shè)備開啟門禁系統(tǒng)的功能。該門禁系統(tǒng)主要是由感知控制和應(yīng)答模塊組成。本文給出了應(yīng)答和感知控制模塊的設(shè)計(jì)電路及工作流程圖,詳細(xì)分析了紅外識(shí)別電路的原理,并介紹了NRF905無線通信模塊的設(shè)計(jì)原理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理,安全可靠。實(shí)際結(jié)果顯示,此設(shè)計(jì)方案能滿足實(shí)際生活中的需要并有很大的市場(chǎng)應(yīng)用空間。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 提出了一種基于紅外感知與無線應(yīng)答非接觸式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用紅外感知與無線設(shè)備開啟門禁系統(tǒng)的功能。該門禁系統(tǒng)主要是由感知控制和應(yīng)答模塊組成。本文給出了應(yīng)答和感知控制模塊的設(shè)計(jì)電路及工作流程圖,詳細(xì)分析了紅外識(shí)別電路的原理,并介紹了NRF905無線通信模塊的設(shè)計(jì)原理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理,安全可靠。實(shí)際結(jié)果顯示,此設(shè)計(jì)方案能滿足實(shí)際生活中的需要并有很大的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

  關(guān)鍵詞89C52單片機(jī);紅外線感知;非接觸式門禁系統(tǒng);無線應(yīng)答

0 引言

  隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,傳統(tǒng)的芯片IC卡門禁系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了廣大群眾的需求,市面也涌現(xiàn)了一些新的門禁系統(tǒng),如指紋門禁系統(tǒng)、人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)和汽車上的免持式被動(dòng)門禁系統(tǒng)[1]。由此帶來的便利性和成本問題也越來越受人們的關(guān)注。

  本設(shè)計(jì)方案——基于紅外感知與無線應(yīng)答的非接觸式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì),既能很好地?cái)[脫傳統(tǒng)機(jī)械鎖的束縛,又能增大門禁系統(tǒng)使用的便利性,實(shí)現(xiàn)不用刷卡或是其他接觸的裝置,只要用戶出現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)就能使得門禁開啟的功能。與市面上其他門禁系統(tǒng)(如指紋門禁系統(tǒng)、人臉識(shí)別系統(tǒng)等)相比,它具有價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)單、使用方便且安全性能有保障的特點(diǎn),具有很好的市場(chǎng)潛力和發(fā)展空間。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

  1.1 非接觸式門禁系統(tǒng)的工作原理與流程


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  非接觸式門禁系統(tǒng)主要包括應(yīng)答和感知控制兩個(gè)主要模塊,系統(tǒng)框圖如圖1所示。感知控制和應(yīng)答模塊中都只有一個(gè)無線通信NRF905裝置,圖中為便于理解,每個(gè)模塊給出兩個(gè)裝置。首先,攜帶有效應(yīng)答模塊的人出現(xiàn)在感知控制模塊的紅外線識(shí)別器的有效范圍內(nèi),門禁系統(tǒng)啟動(dòng)無線通信裝置NRF905,并由它發(fā)出具有識(shí)別信息的信號(hào),應(yīng)答模塊中的NRF905接收到信號(hào),判斷是否為有效信號(hào),如果是,就發(fā)射具有識(shí)別信息的信號(hào)給感知控制模塊,再進(jìn)行辨識(shí),如確定為有效信號(hào)則開啟門。

  1.2 應(yīng)答模塊設(shè)計(jì)


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  應(yīng)答模塊由微控制器、無線通信電路以及兩處穩(wěn)壓電路組成,電路圖如圖2所示。由于應(yīng)答模塊是攜帶于人身上的,故要求功耗小,較易于攜帶,這里選用STC89C52單片機(jī),它是帶8 KB閃存、可編程、可擦除、只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能的單片機(jī),且其價(jià)格低廉,廣泛用于各種自動(dòng)化及電子產(chǎn)品中。

  本模塊采用鋰電池供電,其優(yōu)勢(shì)在于可以充電,用戶沒必要買新的電池,節(jié)能環(huán)保。單片機(jī)STC89C52的輸入電壓要求是5 V,故使用意法半導(dǎo)體公司的L7805穩(wěn)壓芯片,穩(wěn)定鋰電池的輸出電壓,供單片機(jī)使用。另外,這里采用的無線收發(fā)裝置是杭州金龍電子有限公司的KL-NRF905模塊,其最低工作電壓是3.0 V,用AMS(奧地利微電子)公司的AMS1117-3.3的穩(wěn)壓芯片,將 5 V轉(zhuǎn)成3.3 V供NRF905使用[2]。

  KL-NRF905是使用挪威Nordic公司的NRF905芯片開發(fā)而成的,主要用于433、868、915 MHz的開放ISM頻段(Industrial Scientific Medical Band),可免許可證使用,且其內(nèi)置硬件CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信地址控制,工作特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC,可以很容易地通過SPI(串行外設(shè))接口設(shè)置其地址,這樣保證了無線通信的安全性;另一方面,KL-NRF905的特點(diǎn)是低功耗性,在供電為3.3 V時(shí)待機(jī)模式下電流僅為2.5 μA,收發(fā)模式切換時(shí)間小于50 μs,在發(fā)射功率為+10 dBm時(shí)電流為30 mA,接收數(shù)據(jù)時(shí)為12.2 mA,實(shí)驗(yàn)測(cè)得,在鋰電池容量為3 000 mAh時(shí),能使用大約4 000次,完全滿足生活需要。

  KL-NRF905共有4種工作模式, 其中有2種活動(dòng)模式(RX/TX模式)和2種空閑模式,軟件設(shè)置LED1為接收數(shù)據(jù)的指示燈,LED2為發(fā)送數(shù)據(jù)的指示燈。模塊的工作模式由PWR-UP、TRX-CE和TX-EN三個(gè)引腳共同確定,見表1。

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  其中, ShockBurst TX 為發(fā)送數(shù)據(jù)活動(dòng)模式, ShockBurst RX 為接收數(shù)據(jù)活動(dòng)模式。

  1.3 感知控制模塊設(shè)計(jì)


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  感知控制模塊由微控制器、無線通信電路、穩(wěn)壓電路、繼電器控制電路和熱釋紅外識(shí)別電路組成。同樣這部分的微控制器是STC89C52型單片機(jī)。感知控制模塊的電路圖如圖3所示。無線通信裝置與應(yīng)答模塊中的原理和功能類似,兩模塊中的KL-NRF905,當(dāng)其中一個(gè)作為發(fā)送裝置時(shí),另外一個(gè)則為接收裝置;當(dāng)一個(gè)作為接收裝置時(shí),另外一個(gè)則為發(fā)送裝置。此外,穩(wěn)壓電路部分和發(fā)送與接收指示燈部分功能和原理都是相同的,這里不重復(fù)介紹。

  感知控制模塊包含熱釋紅外識(shí)別電路。眾所周知,自然界凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)放出紅外射線,且具有不同溫度的物體發(fā)出的紅外射線波長(zhǎng)也是不同的,本系統(tǒng)利用這一點(diǎn),選擇紅外傳感器對(duì)人體的存在信息進(jìn)行探測(cè)。本模塊采用的是聚英電子型號(hào)為HC-SR501的紅外傳感器,其工作原理是:人體體溫一般是37℃左右,會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)大約為10 μm左右的紅外射線,紅外探頭的熱釋電元件在接收到變化的紅外輻射時(shí)會(huì)向外釋放電荷,導(dǎo)致電荷量不平衡,產(chǎn)生電勢(shì)差。HC-SR501為雙元件設(shè)計(jì),在它內(nèi)部有兩個(gè)電極化方向恰恰相反的熱釋電元件串聯(lián)在一起,環(huán)境輻射作用于兩個(gè)熱釋電元件的影響基本相同,即它們產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)是相互抵消的,這時(shí),沒有電勢(shì)差輸出,也就消除了環(huán)境輻射對(duì)整個(gè)傳感器的影響,另外還要增設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡,使紅外線聚焦于探頭,提高了紅外探頭靈敏度[3]。安裝時(shí),把探頭面朝外,有效范圍為室外,另外通過設(shè)置的感應(yīng)封鎖時(shí)間,避免重復(fù)感知和開啟門的發(fā)生。

  感知控制模塊還包括繼電器電路,這里使用的是深圳市鎧新興電子有限公司的松樂繼電器SRD.12 VDC.SL-C,繼電器的功能是完成對(duì)電控鎖的開啟,而門的關(guān)閉則由門上的機(jī)械臂自動(dòng)完成。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

  2.1 感知控制模塊和應(yīng)答模塊工作流程圖

  圖4和圖5分別是感知控制模塊和應(yīng)答模塊的工作流程圖。

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  2.2 無線通信電路程序設(shè)計(jì)

  2.2.1 SPI接口配置

  在使用KL-NRF905之前需對(duì)其進(jìn)行配置,這些配置都是通過單片機(jī)SPI接口發(fā)給KL-NRF905的,SPI的工作方式可以由SPI的指令進(jìn)行設(shè)置,即使KL-NRF905處于空閑或關(guān)機(jī)狀態(tài),SPI仍然可以保持工作狀態(tài),SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。

  本設(shè)計(jì)中選用的STC89C52單片機(jī)并沒有SPI接口,要對(duì)KL-NRF905進(jìn)行操作就要了解時(shí)序和配置參數(shù),并用軟件模擬出SPI接口的工作時(shí)序。SPI時(shí)序圖[4]如圖6和7所示。

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  在SPI接口的讀函數(shù)中,簡(jiǎn)要分為以下幾個(gè)步驟:⑴MISO要準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)等待無線通信模塊發(fā)送;⑵置高SCK,主機(jī)讀走線上的數(shù)據(jù);⑶置低SCK,準(zhǔn)備下一位數(shù)據(jù)的接收。上述步驟要循環(huán)8次才能夠通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)。

  而在SPI接口的寫函數(shù)中,簡(jiǎn)要分為以下幾個(gè)步驟:⑴MOSI準(zhǔn)備好需要發(fā)送的數(shù)據(jù);⑵置高SCK,器件從MOSI線上讀取數(shù)據(jù);⑶置低SCK,準(zhǔn)備發(fā)送下一位數(shù)據(jù)。上述步驟循環(huán)8次即可完成SPI數(shù)據(jù)的發(fā)送。

  2.2.2 KL-NRF905配置

  要使用好KL-NRF905,除了配置好SPI接口的寄存器,還要對(duì)通信模塊內(nèi)部的寄存器進(jìn)行合理的設(shè)置,限于篇幅此處不過多介紹。

  對(duì)器件內(nèi)部寄存器的編程合理設(shè)置后,就可進(jìn)行信息的傳輸了。KL-NRF905完成接收數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分為以下幾個(gè)步驟:⑴TRX-CE低電平,使得無線通信模塊進(jìn)入待機(jī)模式,降低功耗;⑵使能SPI接口發(fā)出指令,準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù);⑶連續(xù)8次循環(huán)利用SPI讀函數(shù),處理器讀取無線模塊收到的數(shù)據(jù);⑷等待DR和AM管腳重新被置為低電平。

  無線通信模塊完成發(fā)送數(shù)據(jù)主要分為以下幾個(gè)步驟:⑴通過SPI接口向模塊寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù);⑵循環(huán)利用SPI接口寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)包;⑶延時(shí);⑷通過SPI接口將地址信息寫入;⑸采用循環(huán)程序逐位寫入地址信息;⑹發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完成后模塊會(huì)收到一條完成信息,將DR管腳置高。

3 結(jié)論

  本文介紹了紅外感知與無線應(yīng)答的非接觸式門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì),給出了詳盡的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用證明該系統(tǒng)成本低廉、功耗低、安全性能符合日常要求,應(yīng)用市場(chǎng)廣闊,有著很好的實(shí)用價(jià)值和推廣潛力。

參考文獻(xiàn)

  [1] 孔慧芳,丘宇寧. PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(20):103-106.

  [2] Austria Microsystems. AMS1117-3.3 Datasheets[EB/OL].(2010)[2014-04-01]. http://www.ic37.com.

  [3] 朱文海. 智能教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 武漢:華中師范大學(xué),2012.

  [4] Nordic Semiconductor. NRF905 Datasheets[EB/OL].(2006)[2014-04-01]. http://www.nordicsemi.com.


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