基于nRF903芯片與多點無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎C卡門禁系統(tǒng)設(shè)計

引言

在IC卡應(yīng)用日益廣泛的今天，IC卡門禁系統(tǒng)以其門禁管理的安全、可靠、高效、靈活、方便，已逐步取代其他現(xiàn)有各類門鎖，成為目前門禁系統(tǒng)的主流方式。

IC卡門禁系統(tǒng)通常以用戶IC卡的卡號為依據(jù)控制門的開啟，為此發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機(jī)）必須將合法卡號（或黑名單）通過網(wǎng)絡(luò)下載給所有門禁機(jī)。而門禁機(jī)也需將開門記錄（卡號與時間）上傳給中央控制PC機(jī)以實現(xiàn)各門禁點的集中管理。目前，IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡(luò)， 如RS485, CAN 等。這些有線網(wǎng)絡(luò)施工布線工作量大，網(wǎng)線易受人為破壞，線路損壞后，故障點不易查找，且易受雷擊和過電壓的影響。而數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式又常常面臨無法滿足距離要求的難題，即使?jié)M足代價也非常大。

針對這種情況，本文提出了一種基于多點無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎C卡門禁系統(tǒng)，采用單片無線收發(fā)芯片nRF903,數(shù)據(jù)采用多點跳傳的方法，每個門禁點在作為本身數(shù)據(jù)的收發(fā)端的同時，又可做為其他門禁點數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)發(fā)中繼站，從而構(gòu)成不受傳輸距離限制的無線通信鏈路。該系統(tǒng)無需敷設(shè)通信線路，以低成本的無線數(shù)傳芯片保證足夠的傳輸距離，可靠性高，便于維護(hù)，尤其利于現(xiàn)有老社區(qū)、舊辦公樓的智能化改造。

系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN（全球唯一）為依據(jù)控制門的開啟。系統(tǒng)工作流程如下：發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機(jī)）將用戶的卡號及個人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機(jī)。當(dāng)M1卡進(jìn)入門禁機(jī)的有效工作范圍內(nèi)時，門禁機(jī)讀取M1卡的序列號SN,判斷收到的卡號是否合法，合法則驅(qū)動電磁門鎖開門，并暫時保存其開門記錄；如果是非法卡（未經(jīng)授權(quán)或已掛失的卡）則拒絕開門并上傳報警信息。系統(tǒng)定時采集各門禁點的出入記錄并加以存儲、分析、處理。

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成見圖1 ,由若干個分布于各門禁點的無線IC卡門禁機(jī)和一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)器及一臺中央控制電腦構(gòu)成。無線門禁機(jī)與無線數(shù)據(jù)收發(fā)器之間采用雙向無線通訊，中央控制計算機(jī)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器向門禁機(jī)發(fā)送命令、下載數(shù)據(jù)以及接收門禁機(jī)上傳的信息。各門禁機(jī)門禁記錄分時傳送給無線數(shù)據(jù)收發(fā)器， 無線數(shù)據(jù)收發(fā)器與中央控制計算機(jī)間采用RS232 串口通訊，并可同時作為發(fā)卡器使用。系統(tǒng)所有的管理工作都由中央控制計算機(jī)完成，如發(fā)卡、查詢、掛失、解掛、下傳黑名單、接收門禁記錄、統(tǒng)計分析、打印報表等。

圖1 無線通信IC卡門禁系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖

圖2 無線IC卡門禁機(jī)硬件電路框圖

無線IC卡門禁機(jī)硬件電路主要由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權(quán)卡號存儲器、時鐘電路、監(jiān)控電路、NRF903無線通信接口電路以及電磁門鎖等部分組成，其硬件電路框圖見圖2.PC機(jī)端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器硬件結(jié)構(gòu)與無線IC卡門禁機(jī)類似，由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、nRF903無線通信接口電路以及與PC機(jī)通信的RS232接口電路組成。

無線通信芯片nRF903

系統(tǒng)的無線通信模塊采用了Nordic VLSI 公司的單片UHF多段無線收發(fā)芯片nRF903.nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM頻段，無需申請頻點，具體工作頻率可以通過與之相連的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置。它采用優(yōu)化的GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可在155.6KHz的有效帶寬下傳輸最高76.8bps的數(shù)據(jù)；天線接口設(shè)計為差分天線，因而可采用低成本的PCB天線；最大發(fā)射功率+10 dBm,接收靈敏度為460 dBm ,在開闊地傳輸距離一般可達(dá)600m以上（在地形復(fù)雜時會縮短距離，這與使用環(huán)境、干擾、系統(tǒng)調(diào)諧有關(guān)）。nRF903片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，外圍元件少；曼徹斯特編碼/ 解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。nRF903還具有待機(jī)模式，這樣更節(jié)能和高效。

圖3 nRF903與MCU的接口電路

nRF903 采用SPI（串行外設(shè)接口） 與微控制器通訊，它自動處理字頭和CRC校驗 ,使用極為方便，只需將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收機(jī)地址送給nRF903, nRF903 自動完成數(shù)據(jù)打包（加字頭和CRC 校驗碼） 、發(fā)送，在接收中有載波偵測引腳，接收到正確的數(shù)據(jù)包時，自動移去字頭、地址和CRC 校驗碼，然后通知微處理器取數(shù)據(jù)。nRF903與MCU的接口電路如圖3所示。nRF903 的雙向數(shù)據(jù)線DATA 分別連接在AT89C52 的RXD 和TXD 引腳，RXD 和TXD 之間通過一個10kΩ的電阻隔離。AT89C52 通過連接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 對nRF903 進(jìn)行工作模式設(shè)置，通過連接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 對nRF903 工作參數(shù)進(jìn)行配置，以串行方式將14 位的配置字移入nRF903 的寄存器中，從而實現(xiàn)對頻段、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率的配置。由于AT89C52 沒有SPI 串行硬件接口，所以需要用軟件方式模擬SPI 接口，具體軟件實現(xiàn)方法可參考文獻(xiàn)[4].

多點跳傳無線通信方式

多點跳傳無線通信局域網(wǎng)

本系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器和PC機(jī)構(gòu)成的主機(jī)與若干無線門禁機(jī)工作點組成一個無線局域網(wǎng)，采用多點跳傳方式實現(xiàn)點對多點的通信，傳輸鏈路分布示意圖如圖4 所示。由圖4 可見，在0號鏈路中，工作點01、02、03除了自身數(shù)據(jù)的傳輸之外，還在鏈路中起著數(shù)據(jù)中繼傳輸站的作用，工作點04的數(shù)據(jù)通過工作點03、02、01的跳傳傳輸給主機(jī)。該鏈路各工作點的傳輸路徑如表1所示。其他各鏈路以相同的跳傳方式傳輸數(shù)據(jù)。不同的系統(tǒng)可根據(jù)門禁點的實際分布來設(shè)計相應(yīng)的鏈路結(jié)構(gòu)。

圖4 多點跳傳傳輸鏈路分布示意圖

多點跳傳無線數(shù)據(jù)傳輸方式

RF903 的通信信道是半雙工的，這種方式首先需要設(shè)定當(dāng)前發(fā)送端為主站，其他各工作點（接收端）均為從站， 主站及各從站的地址唯一。通信的協(xié)調(diào)完全由發(fā)送端控制，發(fā)送端采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，從站全部都接收，并將接收的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不做任何響應(yīng)；地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的，從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行不同的響應(yīng)，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這種傳輸方式可保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一個電臺處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。系統(tǒng)傳輸鏈路中，各工作點的地址碼可根據(jù)工作點的數(shù)量采用不同的編排，使之有較大差異，以更好的抗干擾和誤碼。

表1 0號鏈路各結(jié)點路由表

系統(tǒng)通信軟件

通信協(xié)議

采用多點跳傳無線數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行規(guī)定格式的處理，數(shù)據(jù)包的格式如下：

其中D_ADD為數(shù)據(jù)傳送目的地地址；S_ADD為數(shù)據(jù)源地址；LENTH為數(shù)據(jù)長度（字節(jié)數(shù)） ;Data1~Data n 為有效數(shù)據(jù)；CHECK 為糾錯檢錯校驗碼（1個字節(jié)） .該數(shù)據(jù)包由微控制器發(fā)給nRF903 后，nRF903 在對其加入字頭和CRC 校驗后發(fā)送出去。

門禁機(jī)通信軟件

為避免多個工作點傳輸時發(fā)生沖突，發(fā)送端與接收端采用握手聯(lián)絡(luò)的方式通信。根據(jù)數(shù)據(jù)的傳送目的地址，發(fā)送端可通過查路由表確定接收端（下一個結(jié)點）的地址碼，例如：0號鏈路中工作點03給主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，由鏈路結(jié)構(gòu)可知傳輸路徑為03→02→01→主機(jī)，則工作點03先設(shè)定nRF903 的發(fā)送地址號為02,發(fā)送申請發(fā)送請求，發(fā)完后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，等待工作點02返回允許發(fā)送信號后再啟動數(shù)據(jù)發(fā)送。工作點02接收到數(shù)據(jù)后，校驗有誤可通知03重發(fā)，校驗無誤后對數(shù)據(jù)包的目的地地址進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)是主機(jī)編號，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將接收端地址碼設(shè)為01,發(fā)送過程與工作點03過程相同。如此下去，數(shù)據(jù)再經(jīng)工作點01二次轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)，主機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)目的地就是主機(jī)，即將數(shù)據(jù)接收下來。這樣經(jīng)過工作點02、01的收發(fā)中繼，工作點03的數(shù)據(jù)就跳傳給了主機(jī)。其他工作點與主機(jī)之間的通信過程與此類似。無線IC卡門禁系統(tǒng)中某工作點的通信子程序流程圖如圖5所示。

結(jié)束語

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線通信技術(shù)實現(xiàn)IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)與控制信息的無線傳輸，該系統(tǒng)由于省去了集中器和485 布線，使工程造價大大降低，為門禁控制提供了安全可靠而又靈活方便的實施方案。

圖5 無線門禁系統(tǒng)通信子程序流程圖