门禁控制器的研制

第 1 8卷 第 2期 2 0 0 2年 6月 北京建筑工程学院学报 J O UR NA L OF B E I J I NG I NS TI 兀 OF C i EER I G D A R 丑 I 1 巨 r 瓜E V0 1 1 8 No 2 J u n 2 O 0 2 文章编 号 1 0 0 4 6 0 1 l 2 0 0 2 0 2 0 0 5 3 0 6 门禁 控 制器 的研 制 马鸿雁 电气工程与 自动化 系 北京1 0 0 0 4 4 摘 要 本文主要介 绍 了门禁控制 器的开发 用于居民住宅小区的 出入 口管理 采用射频 I C卡技术 以 A T 8 9 C 5 1为核心研 制智能门禁控制 系统 通过对智能门禁 系统的核 心 门禁控 制器的研 发 详细描 述 了门禁 系统完成的功能 关键词 门禁 A T8 9 C 5 1 射频卡 中图分类号 TM9 2 5 9 1 文献标识码 A 0 引言 近几年来 随着社会经济发展的需要 城市面貌 发生 了巨大的变化 高楼大厦拔地而起 随之也产生 了不少 安 全 隐患 利 用 高科 技 手 段 犯 罪 的 行 为 日益 增多 怎样才能使人们 的安全 防范措施跟得上科技 的发展 并且更有效 的阻止犯 罪行为呢 仅仅靠传 统的门锁和防盗 门是远远不够 的 智能门禁 系统 应运而生 它的出现打破 了传统 的由人来 看 门的方 式 白天有人站 岗守门 晚上铁锁防护 而是仅用 手中的薄薄的一张 卡片在读 卡器前轻轻一晃 大 门 就可 自动 开启 既 方 便 又 快 捷 当有 人 非 法 进 入 和 破坏时 报警器就会 自动报警 智能门禁系统置身于 现代化大厦和生活小区内 给都市生活增添 了风采 由于门禁 系统有广 阔的市场前景 而且使用越 来越普遍 对现代 化智能住 宅小 区和办公 楼的建设 有极其重要 的意义 因此本 文主要论述 采用单 片机 完成智能门禁系统控制器 开发和研制 1 门禁控制系统组成 1 1 门禁 系统的发展 门禁 系统 的基本 含义就是 出人 口控制系统 它 的作用在于管理人 群进 出管 制 区域 限制未经授 权 者进 出特定区域 并使 已授权者在进 出上更简捷 而 收稿 日期 2 0 0 2一叭 一2 1 作者简介 马鸿 雁 1 9 7 1年 一 女 工学硕士 自动化 专业讲师 且根据实际需要来查询一系列记 录 门禁 系统 是在建 筑物 内的主要 管理 区的 出人 口 电梯厅 主要设备控 制中心机房 贵重物 品库房 等重要部位的通道 口安装 门磁开 门 电控锁或读卡 器等控制装置 由中心控制室监控 系统采用计算机 多 重任 务 的处 理 能 够 对各 通 道 口的位 置 通 过 对象 及通行时间等进行实时 控制 或设定 程序控制 适应 小 区 办公楼的公共安全的管理 随着 电子芯 片的高度集成 化 门禁 系统 的功能 也变得越 来越 完善 和简捷 而 且 越来越 容 易操作 以下是 门禁 系统的发展过程 第一代 门禁 单一 的键盘 输入 密码方式 常 常会 有 因 忘 记 密 码 而 被 拒 之 门 外 尴 尬 的 事 时 有 发 生 第二代 门禁 接触卡式门禁系统 例如 1 磁码 卡 它是把 磁质贴 在 塑料 卡片上 制成 的 磁卡可以改写 应用方便 其缺点是易消磁 易 磨 损 2 铁码卡 这种卡片 中间用特殊的金属线排列 编码 采用金属磁烧的原理制成 不易被复制 铁码 卡可有效的防磁 防水 防尘 是 安全性较高的一种 卡 这种系统虽然有些改进 但是如果卡片不小心 被消磁或弄脏 进人人员将被拒之门外 第三代门禁 感应卡即非接触式 I C卡 门禁 一 般指无源 I C卡 卡片采用 了先进 的半导体制 维普资讯 5 4 北京建 筑工程学 院学报 第 l 8卷 造技术和信息安全技术 利 用电子 回路及 感应线 圈 在读卡器本身产生的特殊振荡频率 当卡片进入读 卡器能量范围时产生共 振 感应 电流使 电子 回路发 射信号到读卡器 经读卡器将 接收的信 号转 换成卡 片资料 送到控制器对 比 感应 卡具有 以下 突出特 点 1 存储量大 从几字节到几兆字节 2 体积小 重量轻 携带方便 抗 干扰能力强 3 安全性高 存储器本身具有控制密码 若非法 解 密 卡 片会 自毁 4 能脱机方式使用 对 网络的要求不高 故投资 较 小 5 寿命长 读写次数大于 1 0 0 0 0 0次 6 数据保存时间长达 l O年以上 7 工 作 电 压 低 5 V 十 l O 工 作 电 流 小 于 l O 工作温度 一2 5 7 5 8 操作频率高 读写速度快 一般 为几到几十毫 秒 第四代 门禁 生物辨识系统 它包括指纹 机 掌纹机 视 网膜 辨识机和声音识别装置等 指纹和掌纹辨别用于安 全性较高的出入 口控 制系统 视 网膜辨识机 和声音 辨识装置在正常情况下 安全性极 高 但若视 网膜充 血或病变 以及感冒等疾病会影响使 用 以上几代 门禁系统中 磁码卡价格便宜 仍被使 用 铁码卡和感应式保安性 能好 在 国外 比较流行 生物辨识技术安 全性极 高 一 般应 用在军政 要害部 门或银行黄金库等场所 因为非接触 式 I C卡 门禁 的优 良性能 以下将 以非接触式 I C卡门禁 系统为主 讲 述 1 2 门禁系统的基本组成 事实上 门禁控制系统是许多设备的组合 基本 上有 下列 四种组 件 1 2 1入 口硬件 设 备 指的是使 已获授权的人员进 出 并拒绝未经授 权的人员进入的装置 包括读卡器 电子锁 可上锁 的门或其他形式的关卡 1 2 2控 制 器 当使用者出示许可证后 控 制器会决定是否予 以放行 控制器的种类从 一个简单的机械锁制动拴 到 复杂 的 电脑 系统 1 2 3许 可证 指用以确定人员 身份 的凭证 包括密 码 感应 卡 声波 指纹等等 1 2 4 上 位机 管理 系统 功能是对有的设备和数据进行管理 1 3 门禁 系统 的基本结构 1 3 1 门禁 系统框 图 如图 l 系统包括 3个层次 的设备 底层是直接 与人有关的设备 包括读卡器 电子 门锁 出入按钮 报警传感器和报警喇叭等 它们是用来 接收有关人 员的输入信息 再转换成 电信 号送 到控制器中 同时 根据来 自控制器的信号 完成 开锁 闭锁的动作 控 制器接收底层设备发来 的有关人员 的信息 同存储 的信息相 比较并做 出判断 然后再发 出处理 的信息 单控制器就可 以组成一个 简单 的门禁系统 用来 管 理一个或几个门 多个控制器通 过通讯 网络与控制 中心的计算机连接起来就组成 了整个建筑物的门禁 系统 计算机装有 门禁 系统 的管理 软件 它管理 着 系统中所有 的控制器 并对它们进行设置 接收发来 的信息 完成系统中所有信息 的分析 与处理 1 3 2 管理软件 这部分软件的功能是 以系统所有 的设备和数据 进 行管 理 包 括 a 设备注册 在增加控制卡片时 要登记 以使 其生效 在减少控制器或卡片时 要使其无效 b 级别设 定 在 已注册 的卡 片中 通 过级 别的 设定控制相应的通道或入 口 对 计算机 的操 作要设 定密码 以控制使用人员 C 时间管 理 通过 时 间管 理 来 控 制 通道 或 入 口 d 数据 库管 理 对 系统 所 记 录 的数 据 进行 转 存 备份 存档和读取等处理 图 1 门禁系统框图 维普资讯 第 2期 马鸿雁 门禁控制 器的研制 5 5 1 4 f 1 禁 系统 的工作方式 门禁管理系统在住宅小 区或公司的每个出入 口 处安装一个非接触读 写装置 出入人员每人手 中有 一 张 I C卡 这张 I C卡就 是一 把 大门钥匙 每 把 钥匙 都有一个属 于主人身 份 的识别密 码 出人 人 员只要将这张 I C卡在非 接触 读写机置的有效距 离 内晃一下 即 自动完成 整个 开 门操作过程 这是 一 种集电脑 磁电 机械 电子和非接触式 I C卡技术于 一 体的系统 使 I C卡与门锁之间实现完整 交谈 功 能 以 I C卡来控制门锁 的开启 当有非 法刷 卡时 系统将会报警提示 这样不仅给管理者提供了更安 全 更快速 更 自动化 的管理模 式 而且也给使用 者 带来 了最大程度的方便 门禁系统的工作方式如图 2所示 读卡器 来人身份 I j 电 子 锁 一 出门按钮 一 一 一一 一i 报警 器 网 络 信 号 j 一 报警 传 感器 非法闯 入 I j门 传 感 I 图 2门禁 系统工 作方式 图 1 5 标准门禁点示意图 图 3 瞒憎I控 锶l 蟠 L 朗 恤 r j垂 髓 l舳 图 3 标准 门禁 点示 意图 2 门禁控制器的设计 智能 门禁 系统适 用 于智 能化小 区人员 出入 管 理 办公楼 人员工 作考 勤 停 车 场的车辆 管理等 场 合 并可根据需要上传 到物业 管理 中心计算机系统 本文论述采用只读式 无源 非接触式 I C卡 门禁控制 系统 2 1 I C卡简介 随着 电子信 息技术 的飞跃 发展 和迅速普及使 用 人类进入 了一个全新 的高度信息化社会 电子信 息技术 与人类社会生 活的广 泛深入 的融合 大大改 变 了人们的工作和生活方式 I C卡是 当今世 界 日新 月异发展 的信息化社会 中出现的 是继磁卡之后推 出的新一代识别卡 I D卡 它被公认 为世界上最小 的个人计算机 简单的讲 I C卡是高度集成 的集成 电路卡 内封有多个集成 电路芯片 外部封装成便携 式卡片 的塑料卡 I C是英 文 I n t e g r a t e d C i r c u i t 的缩 写 I C卡把计算 机技术 与微 电子技术结合 到一起 体积虽小却如同一 台微缩 电脑一样 不但功能很强 小巧实用 而且极 为廉价 性能价格 比很高 I C卡分接触 式 I C卡 和非接 触式 I C卡 非接 触式 I C卡又称为射频式 卡 r a d i o f r e q u e n c y c a r d 是 世界上最近几年发展起来 的一项新技术 非接触式 I C卡按供 电方式可分为无 源非接触式 I C卡和有源 非接触式 I C卡 两者能量来 源的不 同决定 了其操 作距离 对前者 能量是通过天线感应来 的 而且由 于受卡的形状限制 卡 中不可能封装很大的天线 使 得接受的能量较小 从而决定 了操作距离很短 而对 后者 能量是由卡 内的电池来提供 操作距离最大可 达几米 虽然如 此 实际应 用 中较广泛 的是 无源非 接 触 I C卡 2 2 门禁控制器描述 2 2 1 应 用范 围 适用于智能小 区及楼 宇 的进 出管理 考勤 记 录 并需具有防盗报警的功 能 2 2 2功能设 计 描 述 1 智能门禁 系统 控制器运用 感应卡进行 出入 人 员记 录 2 L E D显示信号提示 3 声音信息及报警提示 4 具有通讯接 口与上位机连接 5 智能门禁系统控制器设计有两个门禁点 与 上位机通讯接 口是 R S 4 8 5 6 系统可使用 4 0 0 0张 I C卡片 7 上位机开机时 可以实时处理所有各子系统 的事件 上位机 不工作 时 控 制器 中可 以保存 2 0 4 8 条事件记录 8 具有异常时的 自控及恢复功能 如硬件设有 Wa t c h d o g及掉电检测等 电路 9 高度的 自检功能 允许上位机对控制器进行 全透明检测 并由此可进行大部分的故 障检测 1 0 具有进 出核对 上仟 班考勤记录 即事件 记 录 2 3门禁控制器原理图 维普资讯 北京 建筑工程学 院学报 第 l 8卷 2 3 1 控 制 器 控制器原理图如 图 4所示 本 电路 由 AT 8 9 C 5 1 为主体构成 外接 l 1 0 5 9 2 MHz 晶振 各管脚所实现 的功 能如 下 P o口 数 据 总线 地 址 总线 a d d r e s s 0 7 P1口 p 1 0 一t x c 控制器 与读 卡器 RF 0 0 1通讯控制 端 口 低 电平有 效 p 1 1 一t i o 控 制器 与读卡 器 RF 0 0 1数 据通讯 端 口 p 1 2 一c s c k 控制器 与上位 机通讯时钟协 同端 口 p 1 3 一c r s t 控制 器与上位机通 讯时钟 复位端 口 低 电平有 效 p 1 4 一c i o控制 器与 上位 机通 讯时 钟输入 端 口 p 1 5一b e e p 声 音提 示 端 口 低 电平 有效 p 1 6 一b u t t o n 出门按 钮状 态端 口 低 电平 有 效 p 1 7一wd i W a t c h d o g监测 端 口 P 2口 地 址 总线 a d d r e s s 3 1 5 P 3 口 p 3 0 一r x d控制 器与 S N7 5 L B C 1 8 4接受通 讯 端 口 p 3 1 一t x d控制器与 S N7 5 L B C1 8 4发送通 讯 端 口 p 3 2一l o c k 电控锁 开关 控制 端 口 低 电平 为 开 端 口 p 3 4一g l e d 低 电平 有效 p 3 5一r l e d 低 电平 有效 p 3 6一 wr 发光二极管 绿 门为打开状态 发光二极 管 红 门为关 闭状态 控 制 器 对 外 部 R AM 写 入 端 口 低 电平有效 p 3 7一r d 控制 器对外 部 R AM 读 出端 口 低 电平有效 X1 X 2 A 1 8 9 C 5 1 晶振输 入 出 端 口 R S T W a t c h d o g 复 位输 入 端 口 2 3 2 读卡 电路 如图 5所示 以下为 RF 0 0 1各 管脚 的定 义 实 现的功能过程是上电后 当非接触式 I C卡进入读写 器工作 区域内 读写器 向非接触式 I C卡发一组固定 频率 的电磁波 卡片内有一个 L C串联谐振 电路 其 频率与读 写器发射 的频率 相 同 在 电磁 波 的激 励 下 L C谐振电路产生共振 从而 使 卡内电容有 了电 荷 在这个 电容的另一端 接有一个单 向导通的电子 泵 将这个 电容 内的电荷送到另一个 电容内储存 当 所积累的电荷达到 2 V 时 此 电容 可作 为电 源为其 他电路提供工作 电压 将 卡 内数 据发射 出去给读写 盘 TX TC t x c读 卡器 R F 0 0 1与 控制器 通讯 控 制 端 口 低 电平 有效 S CI O t i o 读卡器 R F 0 0 l与控制器数据通 讯 端 口 p 3 3 一r t c控制 器与 S N7 5 L B C 1 8 4通 讯控 制 讯 A Tl A NT 2输 出 天 线 与 I C 卡 实 现 无 线 通 v cc T XC PI O P oo P1I P O 1 P1 2 PO 2 P1 3 P 03 P H P o4 P I PO PI 6 P 0 6 P I 7 P O T 叵R T C 豇 I 1 IN T l p l t l N T o P2I RLED 1 5 P2 TI P2 3 GL ED I 4 T O P2 4 V C C L 一P 2 F A VP P2 6 0 一 P 2 7 lI l 0 9 9 2 Mi I I 9 翟 m s 区R T 9 R EsET RX D 垂 W R Ps EN 图 4 控 制器 电路 维普资讯 第 2期 马鸿雁 门禁控 制器 的研制 5 7 图5 读卡电路 图 图 7 通 讯时钟 电路 图 2 3 3 RS 4 8 5通 讯 电路 如图 6所示 S N7 5 L B C1 8 4为主体构成 的通讯 电 路 各 管 脚 的定 义 如 下 R r x d S 7 5 L B C1 8 4与控 制器 接受 通讯 端 口 D t x d S 7 5 L B C1 8 4与 控 制器 发送 通讯 端 口 R E DE r t c S 7 5 L B C1 8 4与 控 制 器 通 讯 控 制端 口 低 电平为接受 系统上 电时 R T C必须 为低 A T8 9 C 5 1处于接 受状态 以和系统处于 同步状 态 X 4 8 5 S N7 5 L B C1 8 4与 上位 机接受 通讯 端 口 A TX 4 8 5 S 7 5 L B C1 8 4与 上 位 机 发 送 通 讯 端 口 2 3 4通讯 时钟 电路 如图 7所示 当上 位机要与控制器进行通讯时 先由 DS 1 3 0 2 8 的 C Rs T给控制器一个校验时钟 的 复 位信 号 以便 使 控 制 器 的 时 钟 与上 位 机 一 致 图 6 通讯 电路 图 U5 I MR WD 1 V C C R E S E T GND WD1 P F l P f l1 l 一 MA X8 I 3 L 匾 0000一 L 虹 U C6 l O I l 图 8看门狗 电路图 D S 1 3 0 2 8 各 管脚 的定 义 如 下 S C C K c s c k 控制 器与上位 机通讯 时钟协 同 端 口 R S T c r s t 控制 器与上 位机通讯 时钟复位端 口 低 电平 有效 I O c i o 控制器与上位机通讯时钟输 入端 口 X1 X 2芯 片 晶振 输 入 出端 口 2 3 5看 门狗 电路 如图 8所 示 由 MAX 8 1 3 L构成 的看 门狗 电路 必 须 注意 的是 要 定 时 喂 狗 以 防 止 在 系 统 正 常 运 行时 控制器被复位 WDI wd i W a t c h d o g监测 端 口 R E S E T r s t Wa t c h d o g复 位输 入 端 口 2 3 6电子 锁控 制 回路 正向驱 动器 7 4 0 7即放 大 器 当 L O C K 为低 时 7 4 0 7的第二管 脚 的电平更低 继 电器线 圈 RL 1 就会上 电动作 电子锁将 会打 开 若 L O C K 为高时 则相反 电子锁不会动作 2 3 7稳 压 电 源 电路 维普资讯 5 8 北京 建筑工程学 院学报 第 1 8卷 如原理图中 直流稳压 电源采用电解 电容滤波 三脚固定输 出集成 稳 压器 件其 中输 入端 电容 E C 1 用 以旁路高频干扰脉 冲及改善纹波 输 出端所接电 容 E C 2起改善瞬态响应特性 减少 高频输 出阻抗 的 作 用 输入电路 由 1 2 V稳 压供 电 从 而大大提高 了 电压调整率和负载调查率等指标 所用的集成稳压 器根据功耗 安装要有充分余量的散热片 2 3 8功 能过程 描 述 门禁控制器 Vc c 端接 D C 1 2 V G A ND接地 当上电后 系统 运行 正 常 门状 态指 示 灯红 灯 亮 绿灯灭 这表明门处于关闭状态 当有正常持卡人刷卡时 喇叭会 滴 地 响一声 提示 表明此卡有效 同时绿灯亮 门打开 再过一定 时间后 绿灯灭 红灯亮 门关闭 当有 人 持 无 效 卡 进 入 喇 叭 会 滴 滴 滴 地 响 三声提示 表明此卡无效 红灯亮 门不动作 当有人 用母 卡授权 时 先刷 一下 母 卡 喇叭会 滴 地响一声提示 表 明现在 可 以授权 接着刷要 注册的新卡或要删除的老卡 喇叭又会 滴 地 响一 声提示 表明卡号 已经 被接受 然后再刷一下母卡 喇叭会 滴 地响一声提示 表明授权 已经完成 进入 正常读卡状态 3门禁控制 器软件设计 4 小 结 图 9 主程序 流程 图 本文主要阐述 了门禁控制器的设计及实现 详 述 了门禁控制系统的组成 基本结构 工作方式及功 能功述 详 细分析 了门禁控 制器 的硬 件原理 门禁 控制器系统应用于 出人 口管 理 系统 提供 了较高 的 安防保障 正在 日益被推广 本 文 以期 能对实际使 用 提供 一 定 的理 论 指 导及 实 际 意 义 参考文献 1 何立民 单片机应用技术选编 M 北京 北京航空航天大学 一 单片机编程用 汇编语言 主程 序流程 图如 图 9 2 翥 汉 才f 单19 9片 8 机 原 理 及 其 接 口 技 术 M 北 京 清 华 大 学 出 版 I 小 社 1 9 9 8 响应主站程序流程图 检测 I C卡程序流程图等 3 周航慈 单片机应用程序设计技术 M 北京 北京航空航天 在此 不再 详述 大学出版社 1 9 9 3 4 王爱英 智能卡技术 M 北京 清华大学出版社 1 9 9 6 5 刘国林等 智能化信 g网络 M 北京 电子工业出版 土 2 0 0 0 Re s e a r c h of I nt e l l i g e nt Ent e r a ne e Gu a r d S y s