文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2012)06-0145-04
隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，門禁管理系統不斷向集成化、智能化和網絡化的方向發展。但對于分散的小型企業和住宅小區來說，這些通用的門禁管理系統在布線和調試方面花費了過多的物力、財力。針對這種情況，本文介紹一種基于GPRS和RFID技術的門禁控制系統。
該系統綜合了GPRS和RFID技術,利用GPRS網絡實現門禁上位機對終端機的遠程控制和交互數據傳輸,同時系統采用射頻識別技術作為門禁身份識別方法，使門禁管理更安全方便。
1 門禁系統的方案設計
1.1 門禁系統總體結構
該門禁系統由上位機和終端機兩部分組成，系統的總體結構框架如圖1所示。
上位機由一臺裝有管理軟件的PC機和一臺管理機組成。上位機負責IC卡的發放、銷毀,數據庫的建立、管理、維護和系統數據庫下載，負責收集、記錄各終端機上傳的信息，并向各個終端機發送命令。終端機是門禁系統的直接動作執行部分，包括開/關門以及用戶的各種自助性服務。上位機和終端機之間通過GPRS網絡實現數據交互。
該門禁系統有三種開門方式：密碼開門、刷卡開門、手機/電話遠程開門。密碼開門指住戶通過終端機的鍵盤輸入自設定的密碼開門；刷卡開門指住戶通過系統上位機發放的IC卡開門；手機遠程開門指訪客通過系統終端機處的鍵盤撥打綁定的住戶手機/電話，住戶驗證訪客身份后，通過手機/電話的“*”鍵控制門鎖打開。
1.2 管理機的硬件結構組成
管理機主要由：電源、GPRS模塊、外部存儲器、RS232串行通信接口、IC讀卡模塊組成。管理機的主要功能：讀取IC卡信息，協助上位機軟件建立數據庫；在PC機和終端機之間建立GRPS網絡橋梁，以便于PC機與終端機之間實現無線數據交互。
1.3 終端機的硬件結構
對各用戶來說，門禁控制系統最重要的就是終端機，本終端機主要包括以下幾個部分：電源為終端機電路提供不同等級的電壓；微控制器負責終端機系統的信息采集、數據處理以及對各功能模塊的控制；IC讀卡模塊負責對IC卡實時讀取并將卡片信息上傳給CPU；GPRS模塊負責終端機與上位機、用戶手機/電話之間的信息交互；音調譯碼器根據接收到用戶手機/電話的按鍵音頻脈沖信號實現用戶的遠程控制；鍵盤顯示模塊為人機接口，主要用于訪客輸入房間號和密碼等信息；外部存儲器主要存儲用戶的相關信息；電磁鎖驅動門的開關。終端機的系統結構如圖2所示。
2 終端機的硬件設計
針對各個模塊的功能及性能要求，設計了各主要模塊的電路。
2.1 微控制器選擇
本設計選用新華龍公司的C8051F340為CPU[1]。該單片機有64 KB 的Flash程序存儲空間，4 532 B的RAM，40個I/O口，4個通用16位計數器/定時器，雙串口。另外，單片機還具有體積小（9 mm×9 mm）、價格低等優點。
2.2 GPRS模塊
為減少管理機和終端機之間的布線，充分利用現有的無線通信技術，管理機和終端機之間的數據交互采用GPRS通信技術。同時為了實現用戶能夠用手機/電話遠程控制樓宇門的開關，利用了GPRS模塊的短信及語音等功能。
GPRS在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢，具有實時在線、按量計費等特點，能夠更加有效地利用無線網絡信道資源，特別適用于間歇、非周期數據傳輸、少量的數據傳輸，在遠程數據傳輸等方面得到了廣泛的應用。
GPRS模塊選用SIMCOM公司的SIM900B模塊，該模塊具有體積小、性能穩定、自帶天線扣、性價比高等特點，可以實現語音、SMS、數據的低功耗傳輸。SIM900B的電路連接如圖3所示。
U3為SIM卡，SIM900B通過自有的SIM卡接口為SIM卡提供電源并向其發送指令，實現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進入使能狀態，此時CPU可通過串口向SIM900B發送指令。
2.3 IC讀卡模塊
射頻識別RFID[2](Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術，利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性實現對靜止或移動物體的自動識別及數據交換。
RFID的實現包括RFID卡及讀卡器兩部分。
(1)射頻識別卡
對于本系統而言，考慮到安全性及功能的可擴展性，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)讀卡器的設計
針對本系統所選的IC卡,以MF RC530作為讀卡芯片。MF RC530利用了先進的調制和解調技術,完全集成了在13.56 MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動天線（可達100 mm）。
為節省I/O口資源，RC530與單片機采用SPI方式連接，RC530應用電路如圖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引腳之間連接一個分壓器[3]。
2.4 電源模塊
分析系統的功耗及各功能模塊的電壓需求，整個系統需要5 V、4.2 V、3.3 V 3個電壓等級。可采用不同的降壓型電壓轉換芯片逐級降低系統的輸入電壓。整個系統的輸入電壓由220 V市電經開關電源轉換為12 V供給系統使用。
第一級電壓轉換采用了LM2576單片集成穩壓器實現12 V→5 V的電壓轉換。該5 V電源為鍵盤顯示、蜂鳴器控制電路、電磁鎖控制電路以及作為后續4.2 V、3.3 V的電源輸入。
第二級電壓轉換采用MIC29302實現5 V→4.2 V的轉換，主要是為SIM900B模塊供電。
第三級電壓轉換采用AMS1117實現5 V→3.3 V的轉換，主要供給微控制器C8051F340、語音芯片AP89170等使用。
2.5 其他部分
系統鍵盤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，實現用戶手機/電話按鍵音的解碼，遠程開門的功能。
由于系統要存儲的信息量比較大，考慮體積、I/O口數量等因素，設計選用串行的AT45DB041D為外部存儲器。對本系統而言，該芯片可存儲3 000個用戶信息。
系統需要根據終端機的不同操作，發出相應的提示語音。例如：“沒有此住戶”、“密碼錯誤”等。提示語音時間短，對音質要求不高，不需要重復錄制和擦除，系統選用OTP型的AP89170作為語音芯片。
電磁鎖的驅動電路采用光耦PC817和功率場效應管IRF9530實現數字電路對電磁鎖的隔離、驅動。
3 系統軟件設計
系統軟件主要包括管理機、終端機及上位機軟件三部分。由于管理機的大部分功能的實現方法與終端機是相同(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計方法，以減少軟件設計的工作量，縮短系統開發周期。
(1)終端機軟件流程
終端機軟件的總體設計思路：系統上電/復位開始運行，對系統進行初始化及自檢。自檢成功后，蜂鳴器響一聲。讀存儲器中的系統參數，判斷存儲器是否為空。為空，則初始化系統參數；非空，則計算出通話時長、住戶數目、卡數目等。之后，程序進入主循環。主循環中主要有四大部分：終端機對一些外部輸入信號的處理(如按鍵、IC卡等)，以及對接收到的管理指令（如增加住戶、刪除住戶等）的處理；終端機和管理機建立GPRS鏈接、進行GPRS通信；管理機對終端機進行串口管理。終端機軟件流程如圖5所示。
(2)上位機軟件
PC機的上位機軟件是系統重要的組成部分，是物業管理人員對門禁系統管理的最直接方式，人性化、操作簡單是上位機軟件設計最基本的要求。
基于各種軟件開發工具的優缺點比較，及本系統在軟件功能上的具體要求分析，設計中采用Delphi 7.0作為上位機軟件開發工具[4]。
界面主要由管理員命令（Admin）、操作員命令（Manager）、服務員命令（user）、串口設置、密碼管理以及退出菜單組成。為了提高門禁系統上位機軟件的安全性，軟件設置了3種不同操作權限的用戶類型：Admin、Manager及User。
(1)Admin用戶擁有最高的管理權限。admin用戶可以進行用戶管理、終端機管理以及數據庫備份操作。Admin用戶可以增加用戶及修改用戶的類型，添加門禁終端機且對系統數據庫中的數據進行備份、恢復。
(2)Manager用戶可以進行住戶信息管理、IC卡發放管理等操作。
(3)User用戶僅擁有查詢數據以及報表打印等操作權限，不能進行IC卡發放以住戶信息修改等操作。
該門禁系統上位機軟件具有較好的操作界面，符合Windows操作習慣，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卡為身份識別卡，設計了一個多種管理及操作方式的門禁控制系統。該系統集無線網絡管理、短信管理及串口管理于一體，提供了密碼開門、刷卡開門、手機/電話遠程開門等多種開門方式。該系統成本低，安裝、使用方便，安全可靠，易于推廣。
參考文獻
[1] 新華龍電子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB Flash微控制器數據手冊[EB/OL]（2006-1）,www.xhl.com.cn.
[2] 游戰清.無線射頻識別(RFID)與條碼技術[M].北京:機械工業出版社,2006.
[3] 深圳吉盛科技有限公司.MF RC500匹配電路和天線的設計[EB/OL].(2005-2)，www.szjskj.com.
[4] 王春紅.Delphi 7程序設計[M].北京:北京交通大學出版社, 2004.