1 概述

　　數字安防系統綜合利用了現代傳感技術、數字信息處理技術、計算機技術、多媒體技術和網絡技術，能夠實現社區各種安防信息的采集、處理、傳輸、顯示和高度集成共享。數字安防系統包括門禁、CCTV視頻監控及防盜報警3個子系統，各子系統通過監控網、信息網、電話網、電視網等不同類型的網絡互聯互通，達到協調運行、綜合管理的目的。門禁控制系統主要起到出入口管理的功能，并可將防盜報警信息、CCTV 報警信息、消防信號等集成到門禁系統數據庫，實現系統聯動，因此，門禁系統在數字安防系統中占有重要地位。門禁控制器作為整個門禁控制系統的核心，完成現場數據的采集、處理、傳輸等重要工作。傳統的門禁控制器通常采用單片機開發，采用串行通信接口向遠程上位機傳送數據，多個門禁控制器往往組成RS485 網絡。隨著網絡的普及,很多企業將公司和小區的管理掛接在網絡上,以求實現簡單化、無人化。本文提出的采用嵌入式技術開發的帶有以太網通信接口的全新門禁控制器架構，其CPU采用基于ARM9內核的ATMEL的AT91SAM9260，以Linux 作為嵌入式操作系統，在Linux操作系統環境下完成應用軟件的開發及交叉編譯。由于網絡在門禁系統及整個數字安防系統中起到越來越重要的作用，因此本文重點論述嵌入式智能門禁控制器以太網通信接口的開發。與目前的基于現場總線的控制網絡相比，基于工業以太網技術的控制網絡是一種低成本、高性能的控制網絡解決方案。以太網應用于企業現場設備控制層是網絡發展的趨勢，將極大地促進信息從傳感器到管理層的集成[1]。

　　2 門禁控制系統總體設計

　　智能門禁控制系統由上位機、控制器、讀卡器、電鎖、門磁、識別卡和出門按鈕等組成。系統結構如圖1 所示。

　　圖1 網絡型門禁系統示意圖

　　門禁控制系統的工作過程是：(1)從上位機經通信接口向控制器傳輸事先設置好的各項運行參數，如使用人員信息、出/入門方式等，完成系統初始化工作;(2)通常情況下門禁控制器處于等待狀態，當有人刷卡時讀卡器利用射頻識別技術將刷卡人信息通過Wigand接口傳輸到門禁控制器，控制器中采集數據的中斷服務程序將當前卡號、卡片狀態、當前時間、控制模式等信息與初始化信息進行比較，得出準許與否的結果，該結果又被送到讀卡器中，向讀卡人發出聲光指示。(3)當比較結果為準許時，控制器通過繼電器驅動電磁鎖使之退出鎖門狀態。

　　3 硬件電路設計

　　由圖1可知，該門禁系統中的硬件設計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，運行速度快, 靈活性好。主要包括CPU(ARM)、存儲設備SDRAM和FLASH、電源、讀卡器接口電路、繼電器電路、以太網電路、UART、485、RTC電路和PSOC電路(檢測門磁輸入等信號)。如圖2。

　　圖2 門禁控制器硬件電路

　　現在重點介紹一下門禁控制器與以太網的接口電路。本設計中采用的CPU是Atmel公司的AT91SAM9200。以太網接口電路主要由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，以提供以太網的接入通道。這里選擇SMSC公司生產的高度集成的以太網控制器芯片LAN8700C。此芯片符合 IEEE 802.3-2005標準和供應商指定寄存器功能;含有全雙工10-BASE-T/100BASE-TX 收發器，支持在3類和5類非屏蔽雙絞線上運行10-Mbps(10BASE-T)，以及在5類非屏蔽雙絞線上運行 100-Mbps(100BASE-TX)。支持媒體獨立接口(MII)和簡化的媒體獨立接口 (RMII);支持自動協商和并行檢測;帶自適應均衡器的集成式DSP;工作電流消耗低;ESD防護水平達±8kV HBM(在不使用外部保護設備的情況下)。信號的發送和接收端通過使用漢仁公司的HR901101A來實現。HR901101A內部集成了網絡隔離變壓器，穩定性更好。

　　3.2 讀卡器電路

　　RFID是射頻識別技術的英文(Radio Frequency Identification)縮寫，是一項利用射頻信號通過空間耦合(電磁感應或電磁傳播)，實現無接觸信息傳遞并得到被標識物的ID信息以做到識別目的物的技術。其主要優點是環境適應性強，不受雪雨，冰雹，灰塵等的影響，且可穿透非金屬物體進行識別，抗干擾能力強.[2]

　　RFID的工作原理：標簽進入讀寫器發出的無線射頻信號區后，接收讀寫器發出的射頻信號。無源標簽或被動標簽憑借線圈上的感應電流獲得能量啟動標簽控制電路和射頻電路發送出存儲在芯片中的數據。有源標簽或主動標簽主動發送某一頻率的信號，讀寫器直接接受標簽發射的信號進行解碼后，恢復為標簽的原始信息，然后送至中央計算機等應用系統，進行有關數據處理，最后應用系統得到所需要的信息，從而實現識別的目的[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

　　在實際應用硬件電路中，讀寫器一般由天線、基站芯片、MCU組成。其中，基站芯片主要實現高頻接口模塊的功能，用于完成數據的調制、發射和射頻的接收以及數據的解調任務。射頻卡的讀寫以無線電波的方式進行，當卡片移到電磁場的有效作用范圍時，卡片里的線圈將感應到讀寫器模塊天線發送的電磁波，從而獲得電源并在電磁感應的作用下得到觸發，進行調制數據傳送。本文采用MTP一4K射頻收發模塊，他采用5V電源供電，125kHz的工作頻率，能識別EM4001/4102或兼容卡，通過韋根26位/RS 232 TTI (ASCII)輸出數據。MTP—K4總共有9個引腳，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，他具有強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊和方便高效的開發方式。MTP—K4讀卡器的數據從第5，6腳輸出到MSP430，MSP430對數據進行卡片號碼獲得、數據加密等處理，在沒有讀卡期間，MSP430定時從P3.7腳發出復位信號對MTP—K4進行復位，保證電路沒有死機現象。

　　4 軟件設計

　　門禁讀卡器的程序包括:MSP430對射頻卡操作的程序、門禁控制器程序。門禁控制器程序包括嵌入式TCP/IP模塊軟件設計、ARM與讀卡器通信中斷處理程序、485通信中斷處理程序、讀寫時鐘、獲得門禁號程序、檢測門和鎖狀態程序及存儲器讀寫程序等。由于該系統的特點是網絡型的門禁系統，所以在ARM內嵌入TCP/IP模塊，相當于WebServer，用戶端只需在瀏覽器內輸入IP地址，就可以通過TCP/IP協議登錄到門禁控制器，遠程控制分布的門禁控制器。

　　5 結論

　　本系統將射頻識別理論應用到門禁控制領域, 采用多層網絡型系統結構, 提出了一種以ARM和射頻識別技術為核心, 配合射頻基站MFRC530及單片機MSP430外圍電路的非接觸式IC卡門禁讀卡器硬件和軟件設計。該門禁系統已成功應用于某外企的門禁系統。實踐表明,系統運行穩定、實時性好。但是經過研究發現，個人信息在射頻卡和門禁控制器的傳遞中存在暴露的危險。因此門禁系統中的隱私保護勢在必行。對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加以控制。

　　本文作者創新點:采用分布式集中控制方案, Internet網絡和485總線相結合, 提高了系統實時性和穩定性; 選用低功耗MSP430,占用系統更少的資源,功耗更小。