1  引言

    随着IC卡技术的日渐普及，早期的机械门锁正逐步被IC卡门禁系统所取代。IC卡门禁系统倚助IC卡和计算机技术，可方便地实现各种复杂密码和黑名单设置，可分级、分时控制，可联网以实现计算机集中管理，以及更进一步地实现城市一卡通。其门禁管理的安全、可靠、高效、灵活、方便，大大优于其他现有各类门锁，已广泛应用于酒店宾馆、智能大厦、银行、证券、保安等诸多行业和领域。

    IC卡门禁系统通常以用户IC卡的卡号为依据控制门的开启，为此发卡系统（中央控制PC机）必须将合法卡号（或黑名单）通过网络下载给所有门禁机。而门禁机也需将开门记录（卡号与时间）上传给中央控制PC机以实现各门禁点的集中管理。目前，IC卡门禁系统数据的传输基本是基于有线的网络，如RS485、CAN等。这些有线网络施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，且易受雷击和过电压的影响。

    本文介绍一种基于nRF401无线收发芯片及PTR2000无线数传模块的IC卡门禁系统，该系统无需敷设通信线路，相对而言成本较低，可靠性高，便于维护，尤其利于现有老社区、旧办公楼的智能化改造。

2  系统硬件

    (1)  系统硬件构成

    系统采用PHILIPS公司的非接触智能IC卡Mifare 1卡，其读写操作只需将卡片放在读写器附近一定距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用方便、快捷，不易损坏，特别适合门禁系统频繁操作的特点。系统以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN（全球唯一）为依据控制门的开启。系统工作流程如下：发卡系统（中央控制PC机）里将用户的卡号及个人信息输入系统数据库，并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当M1卡进入门禁机的有效工作范围内时，门禁机读取M1卡的序列号SN，判断收到的卡号是否合法，合法则驱动电磁门锁开门，并暂时保存其开门记录；如果是非法卡（未经授权或已挂失的卡）则拒绝开门并上传报警信息。系统定时采集各门禁点的出入记录并加以存储、分析、处理。

图1  无线数传IC卡门禁系统硬件构成框图


图2  无线数传IC卡门禁机硬件电路

   系统的硬件构成如图1所示，由若干个分布于各门禁点的无线IC卡门禁机（从机）和一个无线数据收发器（主机）及一台中央控制电脑构成。无线门禁机与无线数据收发器之间采用双向无线通讯，中央控制计算机通过无线数据收发器向门禁机发送命令、下载数据以及接收门禁机上传的信息。各门禁机门禁记录分时送给无线数据收发器， 无线数据收发器与中央控制计算机间采用RS232串口通讯。系统所有的管理工作都由计算机完成，如发卡、查询、挂失、解挂、下传黑名单、接收开门记录、统计分析、打印报表等。

    图2为非接触IC卡门禁机硬件电路框图，主要由Mifare卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C52、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路、监控电路、与PC机通信的无线通信接口电路以及电磁门锁等部分组成。

    (2)  无线数传模块

    系统的无线数传模块采用了NORDIC公司的无线数传产品，其中无线门禁机采用单片无线收发一体芯片nRF401构成无线数传接口电路，PC机端的无线收发器则采用基于nRF401无线收发芯片的无线收发模块PTR2000，可直接与中央控制PC机的RS232串口接口，使用简单方便。

    nRF401无线收发芯片采用蓝牙核心技术设计，最大发射功率为10dBm，接收灵敏度最大可达-105dBm，数据传输速率可达20Kbps。nRF401工作在433MHz ISM 频段，无需申请频点；调制方式为FSK，采用高效前向纠错信道编码技术，抗干扰能力强；并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；提供透明的数据接口；具有多个频道，可方便地切换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊场合。由nRF401构成的门禁机无线数传接口电路硬件原理图如图3所示。

3  无线数据传输方式

    (1)  无线数据传输局域网

    由无线收发模块PTR2000和PC机构成的主机与若干门禁机从机组成一个无线局域网，采用广播方式实现点对多点的通信。nRF 的通信信道是半双工的，这种方式首先需要设1 个主站，其余为从站，所有从站地址唯一。通信的协调完全由主站控制，主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令，从站全部都接收，并将接收的地址码与本地地址码比较，不同则将数据全部丢掉，不做任何响应；地址码相同，则证明数据是给本地的，从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应，将响应的数据发送回去。据此制定的通信协议可保证在任何一个瞬间，通信网中只有一个电台处于发送状态，以免相互干扰。

    (2)  数据的全透明传输

    nRF 的数据传输采用透明模式（T 模式），在这种模式下，信息流通过无线信道时仅由无线信道传输方案提供的前向纠错机制完成纠错，在传输速率较低情况下能得到较好的传输效果。透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据（所收即所发）。

    (3)  移频键控（FSK）调制方式

    这是相当于模拟调频（FM）的数字调制方式，它使数字信号的“1”、“0”分别对应于载波的不同频率，这时载波也是脉冲形式。

    (4)  前向通道编码纠错技术

    由于数字信号在传输中受到衰减、杂波、干扰等所造成的质量劣化是突变性的。也就是说，数字信号在衰减、杂波或干扰没有达到某一门限之前，只要接收设备能判别出0 码和1 码，质量就不会受到大的影响；而一旦超过此门限，接收设备判别不出0 码和1 码，信号就会丢失。因此，在数字信号传输中最重要的是防止误码。本系统在无线传输协议中采用了奇偶校验前向通道编码技术，在信号源的原数码序列中以作为误差控制用的奇偶校验码，来实现自动检错的目的。接收端收到后，按预先定的规则进行解码，确定信息中有无错误，若无错误，确定其位置并进行纠正。通过信道编码降低了数字信号的误码率，提高信号传输的可靠性，可1 次传输200byte较长的数据帧。

图4  无线门禁机通信中断服务子程序流程图

4  系统通信软件

    (1)  通信协议

    本系统通信速率为9600bit/s，采用1 个起始位、8 个数据位、1 个停止位的帧格式。门禁机与中央PC机之间的数据块长度最大为32byte，数据包格式如下：

   

    其中，第一字节为标志字节，为D7H时标志着数据传输开始；第二字节为控制字节，其值不大于30H为数据块长度，表示后面所传递的是数据。当其值大于30H时表示后面的所传递的是命令字或地址，三种控制字为：

    60H―地址；
    61H―主机发送，从机接收（下载合法卡号或黑名单）；
    62H―从机发送，主机接收 （上传出入记录）。

    根据本系统的功能要求，将系统通信软件软件划分为PC机端软件和门禁机端软件两部分分别进行设计。

    (2)  门禁机通信软件

    门禁机端的接收和发送都由中央控制PC机的指令触发。当门禁机接收到来自PC机的通讯头字节D7H时，接收其后的控制字节并根据控制字判断将要进行的操作。各门禁机首先将接收到的地址号与本机地址进行比较，所有比较不相符的门禁机均从中断服务子程序中退出，只有比较成功的门禁机才回送本机地址作为应答并置位地址标志。PC机接收到应答后下达命令触发该门禁机的数据发送与接收操作。门禁机无线通信中断服务子程序流程图如图4所示。

    (3)  PC机通信软件

    PC机端的无线通信采用VB语言进行编程。在标准RS232串口通信方面，VB提供了具有强大功能的通信控件Mscomm。该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。这是一个标准的10位串口通信，包括8位数据、1位起始位和1位停止位。在发送或接收数据过程中触发OnComm事件，通过编程访问CommEvent的属性了解通信事件的类型，进行各自的处理。控件提供了功能完善的串口数据的发送和接收功能，Mscomm控件具有两种处理方式：事件驱动方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕获并处理通信错误及事件；查询方式，通过检查CommEvent属性的值来判断事件和错误。在本系统中采用的是事件驱动方式。PC机端通信程序流程如图5所示。

图5  PC机通信程序流程图

5  结语

    本系统采用先进的无线数传技术实现IC卡门禁系统数据与控制信息的无线传输，该系统由于省去了集中器和485 布线，使工程造价大大降低，为门禁控制提供了安全可靠而又灵活方便的实施方案。

参考文献：
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[4]  Fischer R A, Laakonen A S, Schulz N N. A general pooling algorithm using a wireless AMR system for restoration confirmation. IEEE Transon Power Systems, 2001, 16(2): 312-316.