基于ARM和射频识别技术的门禁系统设计

　　1 概述

　　数字安防系统综合利用了现代传感技术、数字信息处理技术、计算机技术、多媒体技术和网络技术，能够实现社区各种安防信息的采集、处理、传输、显示和高度集成共享。数字安防系统包括门禁、CCTV视频监控及防盗报警3个子系统，各子系统通过监控网、信息网、电话网、电视网等不同类型的网络互联互通，达到协调运行、综合管理的目的。门禁控制系统主要起到出入口管理的功能，并可将防盗报警信息、CCTV 报警信息、消防信号等集成到门禁系统数据库，实现系统联动，因此，门禁系统在数字安防系统中占有重要地位。门禁控制器作为整个门禁控制系统的核心，完成现场数据的采集、处理、传输等重要工作。传统的门禁控制器通常采用单片机开发，采用串行通信接口向远程上位机传送数据，多个门禁控制器往往组成RS485 网络。随着网络的普及,很多企业将公司和小区的管理挂接在网络上,以求实现简单化、无人化。本文提出的采用嵌入式技术开发的带有以太网通信接口的全新门禁控制器架构，其CPU采用基于ARM9内核的ATMEL的AT91SAM9260，以Linux 作为嵌入式操作系统，在Linux操作系统环境下完成应用软件的开发及交叉编译。由于网络在门禁系统及整个数字安防系统中起到越来越重要的作用，因此本文重点论述嵌入式智能门禁控制器以太网通信接口的开发。与目前的基于现场总线的控制网络相比，基于工业以太网技术的控制网络是一种低成本、高性能的控制网络解决方案。以太网应用于企业现场设备控制层是网络发展的趋势，将极大地促进信息从传感器到管理层的集成[1]。

　　2 门禁控制系统总体设计

　　智能门禁控制系统由上位机、控制器、读卡器、电锁、门磁、识别卡和出门按钮等组成。系统结构如图1 所示。

　　图1 网络型门禁系统示意图

　　门禁控制系统的工作过程是：(1)从上位机经通信接口向控制器传输事先设置好的各项运行参数，如使用人员信息、出/入门方式等，完成系统初始化工作;(2)通常情况下门禁控制器处于等待状态，当有人刷卡时读卡器利用射频识别技术将刷卡人信息通过Wigand接口传输到门禁控制器，控制器中采集数据的中断服务程序将当前卡号、卡片状态、当前时间、控制模式等信息与初始化信息进行比较，得出准许与否的结果，该结果又被送到读卡器中，向读卡人发出声光指示。(3)当比较结果为准许时，控制器通过继电器驱动电磁锁使之退出锁门状态。

　　3 硬件电路设计

　　由图1可知，该门禁系统中的硬件设计包括门禁控制器和读卡器。

　　3.1门禁控制器电路

　　控制器中采用ARM为处理器，运行速度快, 灵活性好。主要包括CPU(ARM)、存储设备SDRAM和FLASH、电源、读卡器接口电路、继电器电路、以太网电路、UART、485、RTC电路和PSOC电路(检测门磁输入等信号)。如图2。

　　图2 门禁控制器硬件电路

　　现在重点介绍一下门禁控制器与以太网的接口电路。本设计中采用的CPU是Atmel公司的AT91SAM9200。以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口(physical layer,PHY)组成。AT91SAM9200片内已有带MII(media independent interface)接口的MAC 控制器，故只需再外接一片物理层芯片，以提供以太网的接入通道。这里选择SMSC公司生产的高度集成的以太网控制器芯片LAN8700C。此芯片符合 IEEE 802.3-2005标准和供应商指定寄存器功能;含有全双工10-BASE-T/100BASE-TX 收发器，支持在3类和5类非屏蔽双绞线上运行10-Mbps(10BASE-T)，以及在5类非屏蔽双绞线上运行 100-Mbps(100BASE-TX)。支持媒体独立接口(MII)和简化的媒体独立接口 (RMII);支持自动协商和并行检测;带自适应均衡器的集成式DSP;工作电流消耗低;ESD防护水平达±8kV HBM(在不使用外部保护设备的情况下)。信号的发送和接收端通过使用汉仁公司的HR901101A来实现。HR901101A内部集成了网络隔离变压器，稳定性更好。

　　3.2 读卡器电路

　　RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)缩写，是一项利用射频信号通过空间耦合(电磁感应或电磁传播)，实现无接触信息传递并得到被标识物的ID信息以做到识别目的物的技术。其主要优点是环境适应性强，不受雪雨，冰雹，灰尘等的影响，且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强.[2]

　　RFID的工作原理：标签进入读写器发出的无线射频信号区后，接收读写器发出的射频信号。无源标签或被动标签凭借线圈上的感应电流获得能量启动标签控制电路和射频电路发送出存储在芯片中的数据。有源标签或主动标签主动发送某一频率的信号，读写器直接接受标签发射的信号进行解码后，恢复为标签的原始信息，然后送至中央计算机等应用系统，进行有关数据处理，最后应用系统得到所需要的信息，从而实现识别的目的[3]。RFID基本工作原理和基本组成如图3所示。

　　图3 RFID工作原理

　　在实际应用硬件电路中，读写器一般由天线、基站芯片、MCU组成。其中，基站芯片主要实现高频接口模块的功能，用于完成数据的调制、发射和射频的接收以及数据的解调任务。射频卡的读写以无线电波的方式进行，当卡片移到电磁场的有效作用范围时，卡片里的线圈将感应到读写器模块天线发送的电磁波，从而获得电源并在电磁感应的作用下得到触发，进行调制数据传送。本文采用MTP一4K射频收发模块，他采用5V电源供电，125kHz的工作频率，能识别EM4001/4102或兼容卡，通过韦根26位/RS 232 TTI (ASCII)输出数据。MTP—K4总共有9个引脚，引脚3接高为RS 232 TTI (ASCII)输出格式，接低为韦根26位输出格式。采用低功耗的MSP430单片机作为主控制器，MSP430是TI(德州仪器)的一款超低功耗FLASH 型16位RISC指令集单片机，他具有强大的处理能力、丰富的片上外围模块和方便高效的开发方式。MTP—K4读卡器的数据从第5，6脚输出到MSP430，MSP430对数据进行卡片号码获得、数据加密等处理，在没有读卡期间，MSP430定时从P3.7脚发出复位信号对MTP—K4进行复位，保证电路没有死机现象。

　　4 软件设计

　　门禁读卡器的程序包括:MSP430对射频卡操作的程序、门禁控制器程序。门禁控制器程序包括嵌入式TCP/IP模块软件设计、ARM与读卡器通信中断处理程序、485通信中断处理程序、读写时钟、获得门禁号程序、检测门和锁状态程序及存储器读写程序等。由于该系统的特点是网络型的门禁系统，所以在ARM内嵌入TCP/IP模块，相当于WebServer，用户端只需在浏览器内输入IP地址，就可以通过TCP/IP协议登录到门禁控制器，远程控制分布的门禁控制器。

　　5 结论

　　本系统将射频识别理论应用到门禁控制领域, 采用多层网络型系统结构, 提出了一种以ARM和射频识别技术为核心, 配合射频基站MFRC530及单片机MSP430外围电路的非接触式IC卡门禁读卡器硬件和软件设计。该门禁系统已成功应用于某外企的门禁系统。实践表明,系统运行稳定、实时性好。但是经过研究发现，个人信息在射频卡和门禁控制器的传递中存在暴露的危险。因此门禁系统中的隐私保护势在必行。对此我们可以采取一些定制隐私策略，如采用加密算法等方法来加以控制。

　　本文作者创新点:采用分布式集中控制方案, Internet网络和485总线相结合, 提高了系统实时性和稳定性; 选用低功耗MSP430,占用系统更少的资源,功耗更小。