无线通信在IC卡门禁系统中的应用

摘要：本文介绍了一种基于无线通信的非接触式 IC卡 门禁系统，阐述了系统中数据的多点跳传无线通信方式及通信协议。文章主要讨论了无线通信在 IC卡 门禁系统中的软、硬件实现方法，并给出了该系统的硬件电路框图和通信软件流程图。

    引言
   
 
    在 IC卡 应用日益广泛的今天， IC卡 门禁系统以其门禁管理的安全、可靠、高效、灵活、方便，已逐步取代其他现有各类门锁，成为目前门禁系统的主流方式。
   
 
    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。而数据采用无线传输方式又常常面临无法满足距离要求的难题,即使满足代价也非常大。

    针对这种情况，本文提出了一种基于多点无线数据传输的 IC卡 门禁系统，采用单片无线收发芯片nRF903，数据采用多点跳传的方法，每个门禁点在作为本身数据的收发端的同时,又可做为其他门禁点数据的无线转发中继站，从而构成不受传输距离限制的无线通信链路。该系统无需敷设通信线路,以低成本的无线数传芯片保证足够的传输距离，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。
 
 
    1 系统硬件
   
 
    系统采用Philips公司的非接触智能 IC卡 Mifare 1卡，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）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。
   
 
    系统的硬件构成见图1 ，由若干个分布于各门禁点的无线 IC卡 门禁机和一个无线数据收发器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传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，并可同时作为发卡器使用。系统所有的管理工作都由中央控制计算机完成，如发卡、查询、挂失、解挂、下传黑名单、接收门禁记录、统计分析、打印报表等。

 图1 无线通信 IC卡 门禁系统硬件构成框图

       图2   无线 IC卡 门禁机硬件电路框图
   
 
    无线 IC卡 门禁机硬件电路主要由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、NRF903无线通信接口电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件电路框图见图2。PC机端的无线数据收发器硬件结构与无线 IC卡 门禁机类似，由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C52、nRF903无线通信接口电路以及与PC机通信的RS232接口电路组成。
 
 
    2 无线通信芯片nRF903
   
 
    系统的无线通信模块采用了Nordic VLSI 公司的单片UHF多段无线收发芯片nRF903。nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM频段，无需申请频点，具体工作频率可以通过与之相连的单片机进行设置。它采用优化的GMSK调制解调技术，可在155.6KHz的有效带宽下传输最高76.8bps的数据；天线接口设计为差分天线，因而可采用低成本的PCB天线；最大发射功率+10 dBm，接收灵敏度为460 dBm ,在开阔地传输距离一般可达600m以上(在地形复杂时会缩短距离,这与使用环境、干扰、系统调谐有关)。nRF903片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，外围元件少；曼彻斯特编码/ 解码由片内硬件 完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF903还具有待机模式，这样更节能和高效。

     nRF903 采用SPI(串行外设接口) 与微控制器通讯,它自动处理字头和CRC校验 ,使用极为方便,只需将要发送的数据和接收机地址送给nRF903， nRF903 自动完成数据打包(加字头和CRC 校验码) 、发送,在接收中有载波侦测引脚，接收到正确的数据包时,自动移去字头、地址和CRC 校验码,然后通知微处理器取数据。nRF903与MCU的接口电路如图3所示。nRF903 的双向数据线DATA 分别连接在AT89C52 的RXD 和TXD 引脚,RXD 和TXD 之间通过一个10kΩ的电阻隔离。AT89C52 通过连接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 对nRF903 进行工作模式设置,通过连接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 对nRF903 工作参数进行配置,以串行方式将14 位的配置字移入nRF903 的寄存器中,从而实现对频段、通道、输出功率和输出时钟频率的配置。由于AT89C52 没有SPI 串行硬件接口,所以需要用软件方式模拟SPI 接口,具体软件实现方法可参考文献[4]。